Bayesian phase difference estimation: a general quantum algorithm for the direct calculation of energy gaps

文献情報

出版日 2021-09-02
DOI 10.1039/D1CP03156B
インパクトファクター 3.676
著者

Chikako Sakai, Kazuo Toyota, Kazunobu Sato, Daisuke Shiomi


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要旨

Quantum computers can perform full configuration interaction (full-CI) calculations by utilising the quantum phase estimation (QPE) algorithms including Bayesian phase estimation (BPE) and iterative quantum phase estimation (IQPE). In these quantum algorithms, the time evolution of wave functions for atoms and molecules is simulated conditionally with an ancillary qubit as the control, which make implementation to real quantum devices difficult. Also, most of the problems in chemistry discuss energy differences between two electronic states rather than total energies themselves, and thus direct calculations of energy gaps are promising for future applications of quantum computers to real chemistry problems. In the race of finding efficient quantum algorithms to solve quantum chemistry problems, we test a Bayesian phase difference estimation (BPDE) algorithm, which is a general algorithm to calculate the difference of two eigenphases of unitary operators in the several cases of the direct calculations of energy gaps between two electronic states on quantum computers, including vertical ionisation energies, singlet–triplet energy gaps, and vertical excitation energies. In the BPDE algorithm, state preparation is carried out conditionally on the ancillary qubit, and the time evolution of the wave functions in superposition of two electronic states are executed unconditionally. Based on our test, we conclude that BPDE is capable of computing the energy gap with an accuracy similar to BPE without controlled-time evolution simulations and with the smaller number of iterations in Bayesian optimisations.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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