基于 PennyLane 的可微分量子计算化学
量子物理
2023-01-09 v3
摘要
本工作描述了 PennyLane（一个专注于量子可微分编程的量子计算软件库）中所有量子化学功能的理论基础。我们概述了量子化学中的基本概念，包括 Hartree-Fock 方法的基本原理。PennyLane 的一个旗舰特性是可微分的 Hartree-Fock 求解器，允许用户计算分子哈密顿量相对于核坐标和基组参数的精确梯度。PennyLane 为量子化学提供了专门的操作，包括作为 Givens 旋转的激发门以及量子化学线路的模板。此外，内置模拟器利用稀疏矩阵技术表示分子哈密顿量，从而实现量子化学应用的快速模拟。结合 PennyLane 已有的构造、优化与执行线路的方法，这些方法允许用户实现广泛的量子化学量子算法。我们讨论了如何使用 PennyLane 实现用于计算基态能量、激发态能量和能量导数的变分算法，所有这些均可相对于线路与哈密顿量参数求微分。我们提供了一个示例工作流，描述如何联合优化量子化学算法的线路参数、核坐标与基组参数。我们讨论了一种利用对称性减少量子比特数的功能，并解释如何使用 PennyLane 估计实现若干量子算法所需的量子资源。通过结合量子计算、计算化学与机器学习的见解，PennyLane 是首个用于可微分量子计算化学的库。
引用
@article{arxiv.2111.09967,
title = {Differentiable quantum computational chemistry with PennyLane},
author = {Juan Miguel Arrazola and Soran Jahangiri and Alain Delgado and Jack Ceroni and Josh Izaac and Antal Száva and Utkarsh Azad and Robert A. Lang and Zeyue Niu and Olivia Di Matteo and Romain Moyard and Jay Soni and Maria Schuld and Rodrigo A. Vargas-Hernández and Teresa Tamayo-Mendoza and Cedric Yen-Yu Lin and Alán Aspuru-Guzik and Nathan Killoran},
journal= {arXiv preprint arXiv:2111.09967},
year = {2023}
}