混合量子算法在计算化学中的应用:以吡啶-锂离子复合物为例

准确捕捉大规模分子体系中的电子关联效应,仍是量子化学领域最严峻的挑战之一,也是推动量子算法发展的核心动力。传统组态相互作用方法虽然严谨,但受限于指数级计算复杂度,难以处理大体系或强关联系统。突破这一局限是实现量子计算化学应用的关键。该研究团队采用三种量子算法——变分量子本征求解器(VQE)、子空间量子对角化(SQD)方法及最新提出的交接迭代VQE(HI-VQE)——对吡啶-锂离子复合物体系进行研究。研究结果表明,新一代混合量子-经典框架成功克服了制约传统VQE方法的可扩展性与噪声敏感性问题。SQD和HI-VQE实现了经典计算无法处理的体系规模基态能计算,标志着向量子优越性迈出了实质性进展。特别是HI-VQE可在(24电子,22轨道)的活性空间内完成计算,需使用44个量子比特,远超经典CASCI和传统VQE的处理能力。这一突破为逐步增加量子计算处理的电子数量、逼近精确分子能量提供了系统化路径。值得注意的是,SQD和HI-VQE均表现出对硬件噪声的强鲁棒性,较早期方法具有决定性改进。通过实现传统方法难以处理的分子体系量子模拟,这两种算法为计算化学领域实现实用化量子优越性提供了可行方案。HI-VQE与SQD的对比研究表明,优化电路参数对实现精确模拟具有决定性作用。

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作者单位: VIP可见
提交arXiv: 2026-01-15 02:23

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