实现早期容错机制下的化学精度量子相位估计
分子电子结构的量子模拟是量子计算最具前景的应用之一。然而,要对强关联体系实现化学精度的预测,必须依赖容错量子计算设备上的量子相位估计算法。现有针对典型容错量子计算架构的资源评估表明,此类计算需要数百万物理量子比特,远超近期设备的承载能力。本研究探讨了在"早期容错量子计算"阶段(以部分容错能力、受限量子比特预算和有限电路深度为特征)执行化学相关分子体系量子相位估计的可行性。该工作提出了基于单辅助比特的Trotter型量子相位估计实现方案,结合部分随机化的时间演化方法。在此框架下,研究人员开发了名为"酉权重集中"的新型哈密顿量优化策略,通过重构酉算子线性组合表示来降低算法成本。将该框架应用于铁硫簇、细胞色素P450活性位点和二氧化碳利用催化剂的活性空间模型后,该团队采用最新版时空高效模拟旋转架构进行了端到端资源评估。结果表明:对于约20-50个空间轨道的活性空间(远超经典全组态相互作用方法处理能力),基态能量估算仅需约10^5个物理量子比特,运行时间约数天至数周。这些发现证明,虽然更大规模的分子模拟仍需成熟的容错量子计算机,但具有化学意义的量子化学问题在实验相关的早期容错量子计算阶段已可实现。

