基于变分量子本征求解器的分子量子自举嵌入方法
在近期量子硬件上模拟强关联分子系统仍具挑战性,原因在于现代硬件的量子体积有限且量子比特保真度中等。克服这一挑战的潜在途径之一是自举嵌入(BE)。自举嵌入将分子分解为更小的碎片,然后以迭代方式将这些碎片嵌入其他碎片的“浴”中。自举嵌入对量子模拟具有吸引力,因为系统碎片化降低了任一碎片的量子比特需求。在本工作中,该团队开发了一种量子自举嵌入(QBE)工作流程,该流程使用变分量子本征求解器(VQE)作为碎片求解器,并研究了决定整体VQE-QBE算法成功与否的算法选择。为提高效率,该团队引入了FastAdaptVQE,这是自适应变分量子本征求解器(ADAPT-VQE)的一种稀疏矩阵加速形式,用直接态向量线性代数替代了符号对易子计算;同时还引入了MatrixFreeAdaptVQE,这是一种无矩阵扩展,消除了处理较大碎片时出现的稀疏矩阵内存瓶颈。该团队还修改了ADAPT-VQE的算子选择步骤,用前瞻策略替代了纯贪心选择。在 \(H_4\) 和 \(F_2\) 上的基准测试达到了化学精度,与使用完全组态相互作用(FCI)求解器的自举嵌入结果相差在1 kcal/mol以内。这些结果表明,将QBE与VQE结合能够准确计算分子系统的能量。该研究为在近期量子硬件上将能量计算扩展到更大分子系统及量子材料奠定了基础。

