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Shortcut to chemically accurate quantum computing via density-based basis-set correction

基准集 计算机科学 量子位元 全配置交互 量子计算机 量子 电子结构 密度泛函理论 基础(线性代数) 量子算法 统计物理学 算法 量子力学 数学 物理 组态交互作用 分子 几何学
作者
Diata Traoré,Olivier Adjoua,César Feniou,Ioanna-Maria Lygatsika,Yvon Maday,Evgeny Posenitskiy,Kerstin Hammernik,Alberto Peruzzo,Julien Toulouse,Emmanuel Giner,Jean‐Philip Piquemal
出处
期刊:Communications chemistry [Nature Portfolio]
卷期号:7 (1)
标识
DOI:10.1038/s42004-024-01348-3
摘要

Quantum computing promises a computational advantage over classical methods in electronic-structure calculations, with expected applications in drug design and materials science. Accessing a quantitative description of chemical systems while minimizing quantum resources, such as the number of qubits, is an essential challenge given the limited capabilities of current quantum processors. We provide a shortcut towards quantum computations at chemical accuracy by approaching the complete-basis-set limit (CBS) through integrating density-functional theory into quantum algorithms via density-based basis-set corrections coupled to basis-sets crafted on-the-fly and specifically adapted to a given system/user-defined qubit budget. The approach self-consistently accelerates the basis-set convergence, improving electronic densities, ground-state energies, and first-order properties such as dipole moments. It can also serve as a classical, a posteriori, energy correction to quantum hardware calculations. The strategy is assessed using GPU-accelerated state-vector emulation up to 32 qubits. We converge the ground-state energies of four systems (He, Be, H$_2$, LiH) within chemical accuracy of the CBS full-configuration-interaction reference, while offering a systematic increase of accuracy beyond a double-zeta quality for various molecules up to the H$_8$ hydrogen chain. We also obtain dissociation curves for H$_2$ and LiH that reach the CBS limit whereas for the challenging simulation of the N$_2$ triple-bond breaking, we achieve a near-triple-zeta quality at the cost of a minimal basis-set. This hybrid strategy allows us to obtain quantitative results that would otherwise require brute-force quantum simulations using far more than 100 logical qubits, thereby opening up opportunities to explore real-world chemistry with reasonable computational resources.

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