在早期容错阶段实现化学精度量子相位估计
量子物理
2026-03-31 v2
摘要
分子电子结构的量子模拟是量子计算最有前景的应用之一。然而，对强关联系统实现化学精度的预测需要在容错量子计算(FTQC)设备上进行量子相位估计(QPE)。现有典型FTQC架构的资源估算表明，此类计算需要数百万物理量子比特，从而超出了近期设备的能力范围。在这里，我们研究了在早期FTQC阶段进行化学相关分子系统QPE的可行性，其特征是部分容错、受限的量子比特预算和有限的电路深度。我们的框架基于单辅助比特、基于Trotter的QPE实现，并结合部分随机化时间演化。在该框架下，我们开发了一种称为酉权重集中(unitary weight concentration)的新型哈密顿量优化策略，通过重塑线性组合酉(LCU)表示来降低算法成本。将此框架应用于铁硫簇、细胞色素P450活性位点和CO₂利用催化剂的活性空间模型，我们使用最新的时空高效模拟旋转(STAR)架构进行了端到端资源估算。结果表明，使用约10^5个物理量子比特，可以实现约20至50个空间轨道的活性空间的基态能量估算，这远超经典全组态相互作用的能力，运行时间在数天到数周之间。这些发现表明，虽然完全容错量子计算机将为更大规模的分子模拟所必需，但化学上有意义的量子化学问题在实验相关的早期FTQC阶段已经触手可及。
引用
@article{arxiv.2603.22778,
title = {Enabling Chemically Accurate Quantum Phase Estimation in the Early Fault-Tolerant Regime},
author = {Shota Kanasugi and Riki Toshio and Kazunori Maruyama and Hirotaka Oshima},
journal= {arXiv preprint arXiv:2603.22778},
year = {2026}
}
备注
43 pages, 10 figures