量子化学算法

概述

unitarylab_algorithms.quantum_chemistry 当前提供 MolecularDMRGAlgorithm，用于一次性执行以下四阶段流程：


分子几何与 PySCF/OpenFermion 电子结构
  -> physics-tenpy DMRG 基态
  -> SciPy L-BFGS-B CVD 线路转换
  -> UnitaryLab QWC 分组测量与 OpenQASM 导出

该算法继承共享的 unitarylab_algorithms.algo_base.BaseAlgorithm，因此返回标准结果字典，并额外输出能量、活性空间、线路质量和测量信息。

安装与平台支持

除算法库外，还需安装主模拟器的 Chemistry 可选依赖：


pip install "unitarylab[chemistry]" unitarylab-algorithms

Molecular DMRG 及其独立 Chemistry 依赖目前仅支持 Linux 和 macOS，不支持 Windows。这一限制只影响本章的量子化学算法，不影响 unitarylab-algorithms 中其他类别在 Windows 上的使用。

算法实现当前通过兼容入口 unitarylab.library.chemistry 调用独立 Chemistry 包。用户只需按上述命令安装依赖；不要把该兼容实现细节理解为 Chemistry 仍包含在主模拟器内部。

导入与运行

MolecularDMRGAlgorithm 已列入根包 __all__：


from unitarylab_algorithms import MolecularDMRGAlgorithm
 
algorithm = MolecularDMRGAlgorithm(text_mode="plain")
result = algorithm.run(
    xyz_file="H2",
    basis="sto-3g",
    active_occupied_orbitals=1,
    active_virtual_orbitals=1,
    max_iterations=100,
    chi0=20,
    nsweeps=100,
    maxdim=100,
    cutoff=1e-8,
    shots=10_000,
    seed=2077,
    backend="torch",
    device="cpu",
    dtype="complex128",
)
 
print(result["status"])
print(result["DMRG energy"])
print(result["Sampled energy"])

模块级 test() 接受可选的 xyz_file，并始终运行完整流程：


from unitarylab_algorithms.quantum_chemistry.molecular_dmrg.algorithm import test
 
test(xyz_file="H2")

本算法不提供 Chemistry 底层工作流的阶段 target 参数，每次都会依次完成电子结构、DMRG、CVD 和 QWC 测量。

参数

参数	默认值	说明
`xyz_file`	Python API 为 `None`	内置分子名、`.xyz` 文件名或路径；`None` 使用代码内置 `CH4.xyz`，Web 参数配置默认选择 `H2`
`basis`	`"sto-3g"`	PySCF 原子轨道基组
`charge`、`multiplicity`	`0`、`1`	分子电荷与自旋多重度
`active_occupied_orbitals`	`3`	最大活性占据轨道数
`active_virtual_orbitals`	`3`	最大活性虚轨道数
`max_iterations`	`100`	每个局域 CVD 门的 L-BFGS-B 最大迭代次数
`cvd_restarts`、`cvd_init_scale`	`3`、`0.5`	CVD 重启次数与初始化尺度
`chi0`、`maxdim`	`20`、`100`	DMRG 初始与最大 bond dimension
`nsweeps`、`cutoff`	`100`、`1e-8`	DMRG 最大 sweep 数与截断阈值
`shots`、`seed`	`10000`、`2077`	每个 QWC 组的采样数与随机种子；`shots=0` 跳过采样但仍计算精确能量并导出 QASM
`backend`、`device`、`dtype`	`torch`、`cpu`、`complex128`	CVD 线路测量使用的 UnitaryLab 执行配置

内置分子包括 H2、LiH、H2O、CH4、CO、CO2、C6H6、HF、N2、NH3 和 O2。传入不带扩展名的名称时，会在算法自带的 molecules/ 目录中查找对应 .xyz；也可以传入外部 XYZ 文件路径。

返回值与生成文件

结果包含标准字段 status、circuit_path、plot、circuit，以及以下算法字段：

HF energy、Active-space FCI energy、Active space
DMRG energy、CVD layers、CVD infidelity
UnitaryLab exact energy、Exact energy difference、Sampled energy
Measurement groups、Circuit depth、Circuit gates、QASM directory

默认结果目录为当前工作目录下的 results/quantum_chemistry/molecular_dmrg/。其中包含 BaseAlgorithm 结果 TXT、线路 SVG，以及 output/ 下的 PySCF 数据和各 QWC 测量组的 OpenQASM 2.0 文件。返回字典的 plot 会包含 TXT 和 QASM 文件项；QASM 项的 format 会被显式修正为 "qasm"。

注意事项

活性空间、DMRG bond dimension、CVD 重启和迭代数会显著影响内存与运行时间，建议先用 H2/sto-3g 小体系验证环境。
算法保留活性空间 FCI 参考值，但不提供旧实现中的 MP2、CISD、CCSD、完整 post-SCF FCI 开关或 Julia DMRG 输出。
MolecularDMRGResult 是底层 Chemistry 工作流的结果类型；本章算法对外返回的是 BaseAlgorithm 字典，不要混淆两者。