A new “gold standard”: Perturbative triples corrections in unitary coupled cluster theory and prospects for quantum computing

耦合簇 微扰理论(量子力学) 单一制国家 量子 秩(图论) 量子力学 物理 电子相关 统计物理学 计算机科学 理论物理学 电子 数学 分子 政治学 法学 组合数学
作者
Zachary W. Windom,Daniel Claudino,Rodney J. Bartlett
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:160 (21)
标识
DOI:10.1063/5.0202567
摘要

A major difficulty in quantum simulation is the adequate treatment of a large collection of entangled particles, synonymous with electron correlation in electronic structure theory, with coupled cluster (CC) theory being the leading framework for dealing with this problem. Augmenting computationally affordable low-rank approximations in CC theory with a perturbative account of higher-rank excitations is a tractable and effective way of accounting for the missing electron correlation in those approximations. This is perhaps best exemplified by the “gold standard” CCSD(T) method, which bolsters the baseline CCSD with the effects of triple excitations using considerations from many-body perturbation theory (MBPT). Despite this established success, such a synergy between MBPT and the unitary analog of CC theory (UCC) has not been explored. In this work, we propose a similar approach wherein converged UCCSD amplitudes are leveraged to evaluate energy corrections associated with triple excitations, leading to the UCCSD[T] method. In terms of quantum computing, this correction represents an entirely classical post-processing step that improves the energy estimate by accounting for triple excitation effects without necessitating new quantum algorithm developments or increasing demand for quantum resources. The rationale behind this choice is shown to be rigorous by studying the properties of finite-order UCC energy functionals, and our efforts do not support the addition of the fifth-order contributions as in the (T) correction. We assess the performance of these approaches on a collection of small molecules and demonstrate the benefits of harnessing the inherent synergy between MBPT and UCC theories.
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