在用于确定分子和材料特性的大量计算资源中,存在着电子结构问题

【在用于确定分子和材料特性的大量计算资源中,存在着电子结构问题】


在用于确定分子和材料特性的大量计算资源中,存在着电子结构问题


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在用于确定分子和材料特性的大量计算资源之下 , 存在着电子结构问题 。 这个问题的重要性源于这样一个事实 , 即分子系统中电子的量子力学本征能和波函数对于理解和预测工业相关量至关重要 。 特别是 , 作为分子系统的核坐标的函数的基态能量足以收集许多这些属性 。 在二十世纪九十年代后期 , 量子计算科学家开始开发使用模拟时间动力学的技术来估计分子系统静态特性的方法 。

标准方法需要首先将量子计算机准备在所需的量子态 , 然后使用QPEA提取感兴趣的属性 。 任何量子算法的第一步都是准备进入初始状态 。 确定基态能量的算法的成功取决于状态准备的质量 。 准备的安萨茨来自给定哈密顿量的基态的经典近似 。 这种状态必须具有两个属性 。 首先 , 安萨茨需要与基态有显着的重叠 。 其次 , 必须在量子计算机上有效地准备状态 。

当经典方法不能提供高精度的答案时 , 例如对于强相关系统 , 量子计算机特别有用 。 费米统计在创建和湮灭算子中自动计算 。 在第一次量化中 , 必须初始化一个完全反对称的状态 。 可以通过反转合适的排序算法和取消计算辅助以使过程可逆来强制执行反对称化 。 科学家们通过使用排序网络和优化算法的组件改进了反对称过程 。 科学家们考虑了基态能量估计的初始状态的选择 。

HF是状态准备的通常起点;然而 , 它可能并不总是与基态有足够的重叠 。 科学家们最近研究了HF对基态的支持 。 对于小分子 , HF为基态提供了良好的近似值 。 研究了其他方法在HF失效的情况下的适用性 。 科学家们研究了使用多配置自洽场方法生成的准备状态 。 这些状态与多项式计算基态有非零重叠 , 为此有有效的准备方法 。 除了与基态有更好的重叠外 , 多配置自洽场状态表达了表示低能级激发所需的电子相关性状态 。

科学家们将状态准备与准备核基态波函数的提议相结合 , 以研究没有BOA的化学反应的模拟 。 他们得出结论 , 在四个或更多粒子的化学反应中模拟完整的核和电子波函数比使用BOA更有效 。 最近 , 科学家们介绍了自适应采样配置交互方法 。 自适应采样配置交互允许生成少量行列式 , 同时至少占波函数的百分之九十 。 科学家们扩展了HF状态准备 , 提出了一种有效准备指数数量的斯莱特行列式的算法 。 他们的提议对于制备开壳分子的构型状态函数特别有吸引力 。

科学家们提出的绝热状态制备是将最初制备的HF状态转换为FCI基态波函数的近似值的方法 。 绝热状态制备将寄存器初始化为HF状态 。 对于第二个量化的哈密顿量 , HF状态可以准备为量子比特上的乘积状态 , 因此很容易准备 。 然后 , 该状态相对于一个近似于哈密顿量绝热变化的电路进化 , 从HF哈密顿量并以完整的哈密顿量结束 。 然后使用乘积公式分解或截断的戴森级数对绝热演化进行数字模拟 。 科学家们提出了一种通过在整个演化过程中修改哈密顿量变化速度来更快地达到绝热状态的方法 。

请注意 , 并不总是需要达到绝热状态才能实现与基态的显着重叠 。 即使间隙很小 , 也可以利用频谱中的对称性 。 科学家们证明 , 即使对于没有表现出明显对称性的实例 , 这种效应也很常见 。 标准的量子化学方法可以用来降低这个差距 , 即使精确计算它也可能要求很高 。 另一种可能性是初始化寄存器以近似热状态 。 虽然创建热状态本身是一个计算困难的问题 , 但近似值可能就足够了 。 可以使用几种量子算法来完成这项任务 。

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