量子计算在分子振动能级计算中的应用：UVCC与CHC Ansatz的对比研究及其在NISQ时代的潜力

本研究针对分子振动能级计算的经典方法资源消耗大、精度受限的问题，通过量子变分算法（VQE/VQD）对比了酉振动耦合簇（UVCC）和紧凑启发式电路（CHC）两种Ansatz的性能。结果表明，CHC在保持精度的同时显著降低电路复杂度，尤其适用于含噪中等规模量子（NISQ）设备，为量子化学模拟的可扩展性提供了新思路。

　　

量子计算正以前所未有的方式重塑化学模拟的边界，尤其在分子振动能级计算这一传统方法面临“指数墙”难题的领域。经典计算方法如耦合簇（CC）和密度泛函理论（DFT）虽然精度较高，但计算复杂度随分子尺寸暴增（如CCSD(T)达O(N⁷
)），使得大分子体系模拟几乎不可行。而量子计算机利用叠加态和纠缠特性，有望突破这一瓶颈。然而，当前NISQ（含噪中等规模量子）时代硬件受限于噪声和短相干时间，亟需开发兼顾精度与可行性的量子算法。

针对这一挑战，来自国内的研究团队在《Materials Today Quantum》发表研究，系统比较了两种量子电路Ansatz——酉振动耦合簇（UVCC）和紧凑启发式电路（CHC）在计算分子振动基态和激发态能量中的表现。通过变分量子本征求解器（VQE）和变分量子紧缩（VQD）算法，团队发现CHC在噪声环境下仍能保持较高精度，其电路深度比UVCC降低近一个数量级，为NISQ设备上的量子化学计算提供了实用化路径。

研究采用三项关键技术：1）基于高斯软件的势能面（PES）构建与二阶量子化哈密顿量编码；2）UVCC和CHC两种Ansatz的变分波函数参数化；3）结合零噪声外推（ZNE）和测量误差缓解的量子硬件优化。通过IBM量子处理器（ibm-brisbane）和模拟后端验证，团队完成了CO₂
、NH₃
、CH₂
O等分子的振动能级计算。

理论框架
研究采用Watson哈密顿量描述分子振动，通过n模表示和直接映射将振动算符转换为量子比特操作。UVCC Ansatz虽能精确捕获电子关联效应，但需要大量CNOT门；而CHC通过近似激发算符（如单激发U_s
^j,i
(θ_j
ⁱ
)和双激发U_d
^m,n,i,j
(θ_m,n
^i,j
)）显著降低资源需求。

实验结果

• CO₂
  线性分子：CHC在噪声模拟中收敛速度比UVCC快30%，激发态计算显示弯曲振动简并性（2908.889 cm^-1
  ），与qEOM结果误差<0.001%。
• NH₃
  非线性分子：CHC在硬件上测得基态能量7493.167 cm^-1
  ，与DFT结果偏差仅0.01%，而UVCC因噪声导致误差达7%。
• CH₂
  O：CHC的电路参数仅需UVCC的1/3，但基态能量误差保持在1 cm^-1
  内，验证了其对复杂振动模式的适应性。

结论与展望
该研究证实CHC Ansatz在NISQ设备上实现振动能级计算的可行性，其“精度-效率”平衡特性为量子化学规模化应用奠定基础。未来工作可探索CHC与机器学习结合的混合Ansatz设计，以及针对多体振动耦合的高阶修正方案。这项成果不仅推动了量子计算在光谱预测、反应动力学等领域的实用化，也为解决“量子优势”与“噪声容忍”的矛盾提供了方法论参考。