並列量子フローアルゴリズムによる量子情報の活用(Quantum Information Harvesting with a Parallel Quantum Flow Algorithm)

2026-10-30 パシフィック・ノースウェスト国立研究所(PNNL)

米国パシフィック・ノースウェスト国立研究所(PNNL)などの研究チームは、量子コンピューターと古典コンピューターを組み合わせ、大規模分子の電子状態を効率的に計算する「並列Quantum Flow(QFlow)」アルゴリズムを開発・実装した。本手法は、大規模な電子相関問題を多数の小さな活性空間問題に分割し、それぞれを少数の量子ビットで計算した後、古典的な高性能計算によって結果を統合する。プロパン分子を対象とした計算では、従来164量子ビット相当を必要とする問題に対し、12量子ビット相当の計算単位を使用し、56,860個の活性空間計算を繰り返した。その結果、約117万個の波動関数パラメータを最適化し、参照計算による電子相関エネルギーの95%以上を再現した。さらに、強い電子相関を持つ系にも対応するため、複数の計算結果を重み付けして平均する手法を導入した。本成果は、限られた量子資源で大規模な量子化学シミュレーションを実現するための計算基盤を提示するものである。

並列量子フローアルゴリズムによる量子情報の活用(Quantum Information Harvesting with a Parallel Quantum Flow Algorithm)
Numerous small 12-qubit active-space calculations can recover approximately 95% of the reference correlation energy for a 164-qubit molecular problem. (Image by Nicholas Bauman | Pacific Northwest National Laboratory)

<関連情報>

並列量子フローアルゴリズムを用いた量子情報ハーベスティング Quantum Information Harvesting with the Parallel Quantum Flow Algorithm

Nicholas P. Bauman; Ajay Panyala; Chenxu Liu; Muqing Zheng; Meng Wang; Karol Kowalski
The Journal of Physical Chemistry Letters  Published:DOI:https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.6c02025

Abstract

The quantum flow (QFlow) algorithm provides a resource-efficient framework for describing correlated many-body systems on hybrid quantum-classical architectures. By enabling the parallel utilization of quantum and classical resources, QFlow offers a scalable pathway toward simulations of realistic systems. In this Letter, we report a distributed-memory parallel implementation of the QFlow formalism based on a single- and double-excitationmodel. We demonstrate its performance for target spaces comprising 82 and 114 orbitals, where every active space in the flow contains 6 active electrons in 6 active orbitals, as well as the dissociation of the HF molecule to investigate both weakly and strongly correlated regimes. In the largest QFlow simulations, we optimized 1.17 million wave function parameters using the equivalent of 12 qubits. We introduce an ensemble-weighted averaging strategy that restores the correct potential energy behavior for strongly correlated regimes where a simple arithmetic mean of active-space energies can break down. Despite the modest qubit requirements of the underlying active-space approximations, the method recovers over 95% of the total correlation energy obtained with the coupled cluster singles and doubles (CCSD) approach for systems across different correlation regimes, whether dominated by static or dynamic correlation effects, which remain challenging for existing quantum algorithms. We further show that the QFlow formalism retains high accuracy in extended basis sets with diffuse functions, highlighting its potential for realistic, large-scale quantum chemistry simulations.

1602ソフトウェア工学
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