近日，南京大学的黎书华教授（点击查看介绍）课题组实现了以广义价键（GVB）波函数为参考态的酉块相关耦合簇方法（简记为GVB-UBCCC）用于量子模拟。这一方法在描述强关联化学体系的静态相关方面表现出了高效性和准确性，为相关体系的量子化学模拟提供了新工具。

图1

量子计算因其在模拟量子多体系统方面的独特优势，近年来成为解决复杂科学问题的前沿工具。在化学领域，量子计算被认为是准确模拟强关联分子电子结构的有力手段，尤其适用于传统量子化学方法难以胜任的强关联体系。尽管近年来变分量子特征值求解器算法（VQE）为此类体系的量子模拟提供了理论框架，但当前广泛使用的波函数拟设（如酉耦合簇UCC）往往基于单参考的Hartree–Fock （HF）参考态，难以有效描述多组态特征，限制了其在强关联体系中的应用潜力。因此亟需发展适用于量子模拟的多参考波函数方法。

南京大学黎书华教授课题组长期致力于发展强关联体系的高效量子化学方法。继前期发展了经典的基于广义价键波函数的块相关耦合簇（GVB-BCCC）方法（J. Phys. Chem. Lett., 2020, 11, 7536；J. Phys. Chem. Lett. 2024, 15, 3, 693–700）并成功应用于大活性空间体系之后，为克服量子模拟强关联体系的难题，在最近的工作中，他们进一步将该方法拓展至量子计算框架，提出了GVB-UBCCC方法。与现有量子模拟中常用的基于单参考HF波函数构建的方法不同，GVB-UBCCC在构造量子线路时直接引入多组态的GVB参考态，并结合块相关耦合簇的结构设计参数化量子门，从而能够在保留多参考特性的同时显著降低量子资源的消耗。该方法还可同时满足变分原理。研究表明，GVB-UBCCC能有效刻画静态关联特征，并具有良好的可扩展性。

该课题组设计并优化了该方法对应的量子线路，并在MindQuantum量子模拟器上应用于计算多种强关联体系的基态能量（最大24量子比特）。研究表明，最多考虑两块相关的GVB-UBCCC2在模拟多个拉伸化学键体系时，显著优于传统UCCSD方法。例如，模拟STO-3G基组的N₂H₂分子时，GVB-UBCCC2计算基态能量的非平行误差为1.1 mHartree，远小于UCCSD的165.8 mHartree （如图1所示）。同时，模拟N量子比特系统，该方法仅需O(N²)的量子门数目和变分参数，远优于UCCSD方法O(N⁴)的标度（如图2所示）。在未来，可望在GVB-UBCCC方法中进一步考虑电子对与虚轨道之间的簇激发算符来描述动态相关，从而实现对强关联体系静态和动态相关的高精度描述。

图2

这一成果已在美国化学会旗下的物理化学领域学术期刊J. Chem. Theory Comput.上发表。文章的第一作者是南京大学化学化工学院博士生胡家祺。黎书华教授和合肥综合性国家科学中心人工智能研究院副研究员王青春担任通讯作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Unitary Block-Correlated Coupled Cluster Ansatz Based on the Generalized Valence Bond Wave Function for Quantum Simulation

Jiaqi Hu, Qingchun Wang*, and Shuhua Li*

J. Chem. Theory Comput., 2025, DOI: 10.1021/acs.jctc.5c00239

导师介绍

黎书华

https://www.x-mol.com/university/faculty/11572 

课题组主页

http://itcc.nju.edu.cn/~shuhua/index.html