利用量子选择构型相互作用计算准粒子能带结构
4/5/2025
cond-mat.mtrl-sci - Materials Science
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利用量子选择构型相互作用计算准粒子能带结构
大越孝敬
岩桐北斗
市川和秀
高翔
甲田昌也
¹松下控股株式会社, 日本大阪府门真市门真1006号, 邮编571-8508; ²QunaSys株式会社, 日本东京都文京区白山1-13-7 Aqua白山大厦9F, 邮编113-0001
摘要
准粒子能带结构是理解强关联电子系统的基础。虽然在经典计算机上精确求解这些结构具有挑战性，但量子计算提供了一种有前景的替代方案。具体来说，量子子空间展开（QSE）方法结合变分量子本征求解器（VQE），为计算准粒子能带结构提供了一种量子算法。然而，随着系统规模的增长，由于设备噪声、统计噪声和贫瘠高原问题，优化VQE中的变分参数变得越来越困难。为了应对这些挑战，我们提出了一种混合方法，该方法将QSE与量子选择构型相互作用（QSCI）方法相结合来计算准粒子能带结构。QSCI可以利用VQE拟设作为输入态，但与标准VQE不同，它不需要完全优化变分参数，使其对更大的量子系统更具可扩展性。基于这种方法，我们在IBM量子处理器上演示了使用16个量子比特计算硅的准粒子能带结构。
研究背景
领域
本研究聚焦于量子计算在凝聚态物理中的应用，特别是计算强关联电子系统的准粒子能带结构。
问题陈述
精确计算强关联电子系统的准粒子能带结构对经典计算机而言具有挑战性，而现有量子算法（如VQE+QSE）在扩展至更大系统时面临参数优化困难（如噪声和贫瘠高原）。
理论基础
研究建立在量子子空间扩展（QSE）方法和量子选择构型相互作用（QSCI）方法的基础之上，其中QSCI被用作替代VQE进行基态计算。
研究目标或问题
本研究旨在提出并验证一种结合QSE和QSCI的混合量子-经典方法，用于计算准粒子能带结构，以期提高算法对更大系统的可扩展性。
假设
提出的QSE-QSCI混合方法由于避免了VQE参数的完全优化，预期将比标准的QSE-VQE方法更具可扩展性且对噪声更鲁棒。
研究意义
该研究的重要性在于探索更有效的量子计算策略来解决材料科学中的基本问题，特别是为强关联系统的精确模拟提供一种可行的、更具可扩展性的途径。