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Electronic Structure Simulations for Batteries and Fuel Cells Using a Quantum Computer

Lamp, Konstantin und Somoza, Alejandro und Rupprecht, Felix und Walt, Marina und Vogt, Nicolas und Silvi, Giorgio und Horstmann, Birger (2023) Electronic Structure Simulations for Batteries and Fuel Cells Using a Quantum Computer. APS March Meeting 2023, 2023-03-06 - 2023-03-10, Las Vegas, USA.

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Kurzfassung

One of the original and most promising applications of quantum computing is the simulation of a wide variety of processes in Physics and Chemistry with relevant industrial and scientific applications. Until now, all the classical algorithms that simulate the electronic and vibrational structure of atoms and molecules are severely restricted by the exponential growth in computational resources that are required to accommodate large chemical problems. In contrast, the quantum mechanical foundations of quantum processors provide a novel framework by which the correspondence between chemical orbitals and physical qubits can be exploited to develop quantum algorithms that may surpass their classical counterparts and tackle demanding problems that would be otherwise impossible to solve [1]. In the context of generating, transferring and storing energy, an accurate description of challenging molecular structures is vital for the advancement of these technologies, such as the development of accurate, multi-scale simulations of batteries or the modeling of the interaction between molecules and surfaces, central to the optimal operation of fuel cells. In this work, we have implemented and evaluated the performance of a variety of hybrid quantum algorithms for the calculation of electronic structure that employ a synergy between classical optimization and quantum computation. We present the results of our simulations of relevant molecules like LiH and H2O on the IBM System One quantum computer, where state-of-the-art techniques of error mitigation and noise characterization have been employed. In particular, we focus on a class of hybrid algorithms that leverage additional measurements on the quantum processor without an increase in the complexity of the quantum circuits involved in the calculation. On the one hand, we focus on techniques that include corrections to the ground state from virtual excitations such as the Virtual Quantum Subspace Expansion [2]. On the other hand, we investigate techniques like Entanglement Forging [3] that exploit partitions of the initial problem into strongly correlated sectors in order to achieve efficient quantum simulations of challenging systems like water. [1] McArdle, S. et al. Rev. Mod. Phys., 92, 015003 (2020) [2] Takeshita, T. et al. Phys. Rev. X, 10, 011004 (2020) [3] Eddins, A. et al. arXiv:2104.10220 (2021)

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/201020/
Dokumentart:Konferenzbeitrag (Vortrag)
Titel:Electronic Structure Simulations for Batteries and Fuel Cells Using a Quantum Computer
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Lamp, Konstantinkonstantin.lamp (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Somoza, Alejandroalejandro.somoza (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Rupprecht, Felixfelix.rupprecht (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Walt, Marinamarina.walt (at) quantumsimulations.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Vogt, NicolasNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Silvi, Giorgiogiorgio.silvi (at) quantumsimulations.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Horstmann, Birgerbirger.horstmann (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-1500-0578148960248
Datum:9 März 2023
Referierte Publikation:Nein
Open Access:Nein
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Nein
In ISI Web of Science:Nein
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Electronic Structure, Quantum Computer, QSE, Regularization
Veranstaltungstitel:APS March Meeting 2023
Veranstaltungsort:Las Vegas, USA
Veranstaltungsart:internationale Konferenz
Veranstaltungsbeginn:6 März 2023
Veranstaltungsende:10 März 2023
Veranstalter :American Physical Society
HGF - Forschungsbereich:Energie
HGF - Programm:Materialien und Technologien für die Energiewende
HGF - Programmthema:Elektrochemische Energiespeicherung
DLR - Schwerpunkt:Energie
DLR - Forschungsgebiet:E VS - Verbrennungssysteme
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):E - Materialen für die elektrochemische Energiespeicherung
Standort: Ulm
Institute & Einrichtungen:Institut für Technische Thermodynamik > Computergestützte Elektrochemie
Hinterlegt von: Lamp, Konstantin
Hinterlegt am:18 Dez 2023 17:56
Letzte Änderung:24 Apr 2024 21:01

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