論文名 Quantum chemistry on quantum computers: quantum simulations of the time evolution of wave functions under the S^2 operator and determination of the spin quantum number S
記事種別等 Paper
著者名 著者名（別言語） 杉崎, 研司 / 中澤, 重顕 / 豊田, 和男 / 佐藤, 和信 / 塩見, 大輔 / 工位, 武治
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この文献へのリンクには次のURLを使用してください 抄録・内容（日） 共有結合解離で生成するジラジカルや単分子メモリデバイスなどへの応用が期待されている単分子磁石、酵素タンパク質の酵素活性を担う金属クラスターの多くは分子内に不対電子と呼ばれる電子対を作っていない電子を持ち、開殻分子と呼ばれます。不対電子は分子内で上向きスピン(aスピン)状態、下向きスピン(bスピン)状態という2種類の状態のどちらかをとります。分子内に複数の不対電子をもつ開殻分子では、不対電子間に量子力学な相互作用が働くため、2つの電子スピンが平行に並ぶか反平行に並ぶかによってエネルギーが変わります。2つの電子スピンが平行に並ぶと分子は三重項状態(S = 1)に、反平行に並ぶと一重項状態(S = 0)にあるとして区別されます。この時の鍵となる物理量が、スピン量子数Sと呼ばれるものです。開殻分子ではエネルギーが最も低い状態である基底状態のエネルギー的近傍にスピン量子数の異なる電子状態が数多く存在しているため、基底状態のスピン量子数を決定することが非常に重要な課題となります。量子コンピュータを使うことで基底状態のエネルギーを超高速に求めることができますが、求まった電子状態のスピン量子数を明らかにしなければ電子状態を解明したことにはなりません。しかし、量子コンピュータ上で任意の波動関数のスピン量子数を決定することができる量子アルゴリズムはこれまで報告されていませんでしたが、今回初めて発見されました。
抄録・内容（英） Quantum computers have an enormous impact on quantum chemical calculations. Approaches to calculate the energies of atoms and molecules on quantum computers by utilizing quantum phase estimation (QPE) and the variational quantum eigensolver (VQE) have been well documented, and dozens of methodological improvements to decrease computational costs and to mitigate errors have been reported until recently. However, the possible methodological implementation of observables on quantum computers such as calculating the spin quantum numbers of arbitrary wave functions, which is a crucial issue in quantum chemistry, has been discussed less. Here, we propose a quantum circuit to simulate the time evolution of wave functions under an S2 operator, exp(−iS2t)|Ψ〉, and integrate it into the QPE circuit enabling us to determine the spin quantum number of the arbitrary wave functions. We demonstrate that the spin quantum numbers of up to three spins can be determined by only one qubit measurement in QPE.
備考 This work was supported by the AOARD Scientific Project on "Molecular Spins for Quantum Technologies" (Grant FA2386-17-1-4040, 4041), USA, and by Grants-in-Aid for Scientific Research B (17H03012), Scientific Research C (18K03465) and C (17K05840) from the MEXT, Japan.
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キーワード（日） キーワード（英） 著者版フラグ publisher
著者所属（英） Osaka City University / Osaka City University / Osaka City University / Osaka City University / Osaka City University / Osaka City University
1人目の著者情報 : KAKEN 1人目の著者情報 : その他 2人目の著者情報 : KAKEN 2人目の著者情報 : その他 3人目の著者情報 : KAKEN 3人目の著者情報 : その他 4人目の著者情報 : KAKEN 4人目の著者情報 : その他 5人目の著者情報 : KAKEN 5人目の著者情報 : その他 6人目の著者情報 : KAKEN 6人目の著者情報 : その他 収録物名 巻 号 刊行年月 2019-07-28
出版社 Royal Society of Chemistry
ISSN 1463-9084
雑誌書誌ID（NII) AA11723355
資料種別 資料種別(英語) Journal Article
DOI https://doi.org/10.1039/C9CP02546D
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