通过矩阵乘积态对斯莱特型轨道的振幅编码:量子硬件上的高效态制备与积分评估
斯莱特型轨道(STOs)能给出原子波函数的物理正确描述,但由于缺乏闭合形式的多中心积分,在计算化学中已被高斯型轨道大量取代。本研究利用矩阵乘积态(MPS)系统研究了量子计算机上STOs的振幅编码。对于形式为 \( x^d e^{-\zeta x} \) 的一维轨道函数,该工作推导了具有恒定键维数 \(\chi = d+1\) 的解析MPS构造,在无网格采样的 \( n \) 量子比特寄存器上仅需 \( O(n) \) 级经典与量子资源。该团队在二维空间中展示了完整的单电子积分流程(重叠积分、动能积分和核吸引积分),并在IBM Heron处理器上以5量子比特验证了重叠积分与动能积分,通过零噪声外推法将硬件误差控制在0.67%以内。在三维空间中,研究人员在笛卡尔坐标系下计算了1s与2s轨道的多中心重叠积分,在18量子比特下离散化误差仅为0.02%。系统的纠缠分析表明,笛卡尔坐标系下三维STOs的MPS键维数随网格分辨率增加而趋于饱和——在每坐标轴12量子比特时氢原子1s轨道的键维数约为138——确立了有界编码复杂度而非最初预期的指数增长。SVD截断阈值提供了实用资源参数,在 \(10^{-6}\) 阈值下可将键维数降至39且精度损失可忽略。这些结果描绘了原子轨道振幅编码的纠缠图谱,并确立了基于MPS的态制备方案作为在量子计算机上实现精确STO基组的可行路径。
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