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Simulating Electron Transfer on Noisy Quantum Computers: A Scalable Approach to Open Quantum Systems

Gajewski, Marvin und Somoza, Alejandro und Schmiedinghoff, Gary und Stadler, Pascal und Marthaler, Michael und Horstmann, Birger (2025) Simulating Electron Transfer on Noisy Quantum Computers: A Scalable Approach to Open Quantum Systems. arxiv.org. [sonstige Veröffentlichung]

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5MB

Offizielle URL: https://doi.org/10.48550/arXiv.2508.18141

Kurzfassung

Simulating large electronic networks with vibrational environments remains a fundamental challenge due to the long lifetimes of electronic-vibrational (vibronic) excitations on the picosecond scale. Quantum computers are a promising platform to simulate the dynamics of open quantum systems aided by intrinsic hardware-noise, with successful demonstrations of models with two electronic sites. We simulated a microscopic model of electron-transfer (ET) with a single donor and up to nine acceptor sites on a superconducting processor of IBM, using a model-specific error mitigation scheme. Our results using up to 20 qubits reveal a probability of ET that is well aligned with classical calculations where electronic and vibronic transfer resonances can be identified at the expected driving forces. We conducted 10 independent experiments per system size on different days, accounting for hourly fluctuations in error rates. We find that the most important ingredient for large-scale simulations is a large number of available qubits connected by high-fidelity gates, with coherence times above the threshold set by the target open system. Because the vibronic mechanism of electron transfer is entanglement-driven, our simulation is a natural application-based benchmark, in which the hardware capacity to produce and sustain entanglement is quantified by the maximum system size for which the hardware produces accurate results.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/220137/
Dokumentart:sonstige Veröffentlichung
Titel:Simulating Electron Transfer on Noisy Quantum Computers: A Scalable Approach to Open Quantum Systems
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Gajewski, Marvinmarvin.gajewski (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-8130-6698199037403
Somoza, Alejandroalejandro.somoza (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Schmiedinghoff, Garygary.schmiedinghoff (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-2259-7365199037404
Stadler, Pascalpascal.stadler (at) quantumsimulations.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Marthaler, Michaelmichael.marthaler (at) quantumsimulations.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Horstmann, Birgerbirger.horstmann (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-1500-0578199037406
Datum:25 August 2025
Erschienen in:arxiv
Referierte Publikation:Nein
Open Access:Ja
DOI:10.48550/arXiv.2508.18141
Verlag:arxiv.org
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Quantum Computing, Open Quantum Systems, Electron Transfer, Charge Transfer, Electrochemistry
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, R - Quantencomputing, QC - BASIQ
Standort: Ulm
Institute & Einrichtungen:Institut für Technische Thermodynamik > Computergestützte Elektrochemie
Institut für Softwaretechnologie > High-Performance Computing
Hinterlegt von: Gajewski, Marvin
Hinterlegt am:08 Dez 2025 15:25
Letzte Änderung:08 Dez 2025 15:25

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