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Keisan Rikigaku Koenkai koen ronbunshu/Keisan Rikigaku Kouenkai kouen rombunshuu

2105 Order-N, real-space grid implementation of density-functional theory for hybrid QM-CL simulation : DC-RGDFT

Shūji Ogata, Takahisa Kouno, Nobuko Ohba

Published Jan 1, 2012• 0 citations
Publisher

Abstract

我々は,実空間グリッド上でのみ波動関数やポテンシャルを表現するDFTを分割統治の考え方によりオーダーN化する方法を考案し,メニーコアを特徴とするスパコンに最適化したDC-RGDFTコードを開発した.さらに,対象原子系全体を仮想的に領域に分け各領域が必要とする物理精度に適した計算法を採用することで,全計算量を少なくして原子系のダイナミックスを高速にシミュレートするハイブリッド量子古典法の量子計算エンジンとしてDC-RGDFTを取り入れ,これまでとは桁違いに大きな量子領域を設定可能にした.

DOI
10.1299/jsmecmd.2012.25.180

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Quantum computers (QC) could harbor the potential to significantly advance materials simulations, particularly at the atomistic scale involving strongly correlated fermionic systems, where an accurate description of quantum many-body effects scales unfavorably with size. While a full-scale treatment of condensed matter systems with currently available noisy quantum computers remains elusive, quantum embedding schemes like dynamical mean-field theory (DMFT) allow the mapping of an effective, reduced subspace Hamiltonian to available devices to improve the accuracy of ab initio calculations such as density functional theory (DFT). Here, we report on the development of a hybrid quantum-classical DFT + DMFT simulation framework which relies on a quantum impurity solver based on the Lehmann representation of the impurity Green’s function. Hardware experiments with up to 14 qubits on the IBM Quantum system are conducted, using advanced error mitigation methods and a novel calibration scheme for an improved zero-noise extrapolation to effectively reduce adverse effects from inherent noise on current quantum devices. We showcase the utility of our quantum DFT + DMFT workflow by assessing the correlation effects on the electronic structure of a real material, Ca 2 CuO 2 Cl 2 , which is mapped to an effective single-band Hubbard Hamiltonian and the subsequently derived Anderson impurity model solved with up to 6 bath sites on available quantum hardware. Further, we carefully benchmark our quantum results with respect to exact reference solutions and experimental spectroscopy measurements. While challenges remain to scale our approach to larger, multi-orbital and multi-site systems with more bath sites, the present work marks an important milestone towards achieving utility-scale quantum computation in materials simulation.

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巨大生体高分子への量子論の適用は新しい多体論を必要とするかもしれない。現存の量子化学的手法のそのままの形での拡張適用は理論的にも技術的にも破綻する可能性がある。生命科学に必要な精度を保障するにはシミュレーションにおける空間表現の問題が重要となる。次世代量子化学では半世紀以上にわたって使われているガウシアン基底を越える表現法が必要であろう。多重解像度多重ウェーブレット基底による分極率のような分子物性予測により、新しい効率の良い空間表現の試みを示した。また現在大規模量子化学計算の主流である密度汎関数法での物性算定の問題にも空間表現が関連している。
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