<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article article-type="research-article" dtd-version="2.3" xml:lang="EN" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Phys.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Physics</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Phys.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2296-424X</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">735321</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fphy.2021.735321</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Physics</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Optimization of VQE-UCC Algorithm Based on Spin State Symmetry</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">Guo and Chen</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">Spin-Symmetric Optimization VQE-UCC</alt-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Guo</surname>
<given-names>Qing</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff2">
<sup>2</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1387473/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>Ping-Xing</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff2">
<sup>2</sup>
</xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001">&#x2a;</xref>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1">
<label>
<sup>1</sup>
</label>Department of Physics, College of Liberal Arts and Sciences, National University of Defense Technology, <addr-line>Changsha</addr-line>, <country>China</country>
</aff>
<aff id="aff2">
<label>
<sup>2</sup>
</label>Interdisciplinary Center for Quantum Information, National University of Defense Technology, <addr-line>Changsha</addr-line>, <country>China</country>
</aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Edited by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/968488/overview">Alexandre M Souza</ext-link>, Centro Brasileiro de Pesquisas F&#xed;sicas, Brazil</p>
</fn>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Reviewed by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1286380/overview">Che-Ming Li</ext-link>, National Cheng Kung University, Taiwan</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/356499/overview">Yongjian Han</ext-link>, University of Science and Technology of China, China</p>
</fn>
<corresp id="c001">&#x2a;Correspondence: Ping-Xing Chen, <email>pxchen@nudt.edu.cn</email>
</corresp>
<fn fn-type="other">
<p>This article was submitted to Quantum Engineering and Technology, a section of the journal Frontiers in Physics</p>
</fn>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>30</day>
<month>09</month>
<year>2021</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2021</year>
</pub-date>
<volume>9</volume>
<elocation-id>735321</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>02</day>
<month>07</month>
<year>2021</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>10</day>
<month>09</month>
<year>2021</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#xa9; 2021 Guo and Chen.</copyright-statement>
<copyright-year>2021</copyright-year>
<copyright-holder>Guo and Chen</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these&#x20;terms.</p>
</license>
</permissions>
<abstract>
<p>The accurate calculation of molecular energy spectra, a very complicated work, is of importance in many applied fields. Relying on the VQE-UCC algorithm, it is very possible to calculate the molecular energy spectrum on a noisy intermediate scale quantum computer. However, due to the limitation of the number of qubits and coherent time in quantum computers, the complexity of VQE-UCC algorithm still needs to be reduced in the simulation of macromolecules. We develop a new VQE-UCC method to calculate the ground state of the molecule according to the symmetry of the system, the complexity of which is reduced. Using this method we get the ground and excite state of four kinds of molecules. The method and the results are of great significance for the promotion of quantum chemical simulations.</p>
</abstract>
<kwd-group>
<kwd>quantum computation</kwd>
<kwd>variational quantum eigensolver</kwd>
<kwd>unitary coupled cluster</kwd>
<kwd>quantum chemical</kwd>
<kwd>quantum simulation</kwd>
</kwd-group>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1">
<title>Introduction</title>
<p>In this year, quantum computing has been widely concerned as a new paradigm of computing. Compared with classical computing, the computing power of quantum computing increases exponentially with the increase of the number of qubits. One of the most likely applications of quantum computers is to simulate quantum mechanical systems [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>], which is made possible by the emergence of some algorithms [<xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>] and later quantum processors [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B5">5</xref>]. Molecule is one of the common quantum systems in nature. Calculating the energy spectra of a molecular system is one of the main goals of quantum chemistry, so the algorithm of simulating quantum chemistry by the noisy intermediate scale quantum computer (NISQ) has been of interest. However, due to the limitation of the number of qubits and coherent time of NISQ, there is still difficulties for us to simulate for macromolecules.</p>
<p>There are many methods having been used to reduce the complexity of quantum chemistry simulation, such as hybrid quantum classical algorithm (HQC) [<xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>]. One of the most important algorithm is the variational quantum eigensolver (VQE) algorithm [<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>]. The VQE algorithm is based on the Ritz variational principle. The preparation of the ansatz and the measurement of the expected value of the Hamiltonian are carried out on the quantum computer. Then the classical computer optimizes the iterative parameters of the next ansatz according to the principle of minimizing the expected value of the Hamiltonian. The VQE algorithm can be used to find the molecular ground state energy. Compared with pure quantum algorithm, the VQE algorithm uses shorter quantum circuits and has stronger fault tolerance, but needs more measurements and the assistance of classical processes.</p>
<p>The two main steps of implementing VQE algorithm on NISQ are the selection of initial states and to effectively prepare the ansatz. The initial state is generally prepared into Hatree-Fock state. Because the Hatree-Fock method does not take into account the dynamic interaction between electrons, it cannot obtain accurate electron energy. To prepare the ansatz, one mainly chooses the unitary coupled cluster method (UCC) [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>], coming from the classical single reference coupled cluster method (SRCC) [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>], which is more suitable for quantum computers. It divides the electron orbitals into two parts, the occupied orbitals and the unoccupied orbitals. Beginning with initial state (the Hatree-Fock state), a series of single excitation, double excitation and higher excitation operators which excite the electrons from the occupied orbitals to the unoccupied orbitals are applied to the initial state. After many rounds of operators, one may get the real ground state of the Hamiltonian. The details will be described in the second section. Some works have shown its accuracy. However, due to the limitation of the number of qubits and coherent time in quantum computers [<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>], it is still a great challenge for macromolecules to implement VQE-UCC algorithm on quantum computers.</p>
<p>In this paper, we propose a simpler UCC variant method, the singlet and pair UCC (SPUCC), based on the spin symmetry of molecules. In this mothed, the single excitation is classified and the double excitation only retains the pair excitation. The method can reduce the computational complexity while keeping the computational accuracy. Based on this method, we calculate the grounds of molecules with different structures and properties, and get good results as expected.</p>
</sec>
<sec id="s2">
<title>Method of Singlet and Pair Unitary Coupled Cluster</title>
<p>Now we will introduce all the steps of realizing quantum chemical simulation on a quantum computer.</p>
<sec id="s2-1">
<title>The Second-Quantization of Molecular Hamiltonian</title>
<p>Using the Born-Oppenheimer approximation (B-O approximation), the Hamiltonian of the molecule can be written as:<disp-formula id="e1_1">
<mml:math id="m1">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(1.1)</label>
</disp-formula>Where <inline-formula id="inf1">
<mml:math id="m2">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represents the coordinates of the <inline-formula id="inf2">
<mml:math id="m3">
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> -th nucleus and <inline-formula id="inf3">
<mml:math id="m4">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> its charge number. Similarly, <inline-formula id="inf4">
<mml:math id="m5">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represents the coordinates of the <inline-formula id="inf5">
<mml:math id="m6">
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> -th electron. The first term of the Hamiltonian describes the kinetic energy of electrons, the second term describes the Coulomb interaction between nuclei and electrons, and the third term describes the Coulomb interaction between different electrons. <inline-formula id="inf6">
<mml:math id="m7">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represents the kinetic energy of the nucleus and the Coulomb potential between different nuclei, which is constant when the nuclear coordinates are&#x20;fixed.</p>
<p>In the second quantization, the wave function of the fermion is written as the fermion creation operator acting on the vacuum state. The creation operator and the annihilation operator can be identified as,<disp-formula id="e1_2a">
<mml:math id="m8">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(1.2a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e1_2b">
<mml:math id="m9">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(1.2b)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e1_2c">
<mml:math id="m10">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(1.2c)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>After the second quantization is introduced, the Hamiltonian in <xref ref-type="disp-formula" rid="e1_1">Eq. 1.1</xref> can be written as,<disp-formula id="e1_3">
<mml:math id="m11">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(1.3)</label>
</disp-formula>where,<disp-formula id="e1_4a">
<mml:math id="m12">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">(x)</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(1.4a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e1_4b">
<mml:math id="m13">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
<mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
<mml:mn mathvariant="bold">2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">(x)</mml:mi>
<mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">(x)</mml:mi>
<mml:mn mathvariant="bold">2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
<mml:mn mathvariant="bold">2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
<mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
<mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
<mml:mn mathvariant="bold">2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(1.4b)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The wave function <inline-formula id="inf7">
<mml:math id="m14">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the basis functions we have chosen. The basis functions are usually related to the atomic orbitals and the figure base function [<xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>]. Their choice affect the accuracy of the calculation. Because of the cost, we chose the minimum basis set STO-3G.</p>
</sec>
<sec id="s2-2">
<title>Encoding to Quantum State</title>
<p>In order to simulate quantum chemistry on a quantum computer, we use Jordan-Wigner (J-W) transformation [<xref ref-type="bibr" rid="B15">15</xref>] to map the contents of the above-mentioned second quantization to the quantum computer. In the J-W transformation, the creation and annihilation operator are designed as,<disp-formula id="e2_1a">
<mml:math id="m15">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x220f;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(2.1a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e2_1b">
<mml:math id="m16">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x220f;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(2.1b)</label>
</disp-formula>Where <inline-formula id="inf8">
<mml:math id="m17">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf9">
<mml:math id="m18">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are Pauli rise and fall operators,<disp-formula id="e2_2a">
<mml:math id="m19">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(2.2a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e2_2b">
<mml:math id="m20">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(2.2b)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>In this way, the Hamiltonian in <xref ref-type="disp-formula" rid="e1_3">Eq. 1.3</xref> is transformed into the continuous product of a series of Pauli operators,<disp-formula id="e2_3">
<mml:math id="m21">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x27;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x27;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x27;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x27;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>"</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x27;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>"</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x27;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>"</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(2.3)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The above-mentioned <inline-formula id="inf10">
<mml:math id="m22">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3001;</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are constant, and <inline-formula id="inf11">
<mml:math id="m23">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represents the Pauli operator <inline-formula id="inf12">
<mml:math id="m24">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf13">
<mml:math id="m25">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> or <inline-formula id="inf14">
<mml:math id="m26">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the <inline-formula id="inf15">
<mml:math id="m27">
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>-th&#x20;qubit.</p>
</sec>
<sec id="s2-3">
<title>The Variational Quantum Eigensolver</title>
<p>The VQE algorithm uses the quantum computer to prepare quantum states and to get the expected value of Hamiltonian, which are difficult for the classical computer. The tedious process of parameter optimization is handed over to the classical computer. It is based on Rayleigh-Ritz variational principle,<disp-formula id="e3_1">
<mml:math id="m28">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2329;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2329;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(3.1)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>It shows that for a parameterized quantum state <inline-formula id="inf16">
<mml:math id="m29">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> we take randomly, the expected value of the Hamiltonian will always be greater than or equal to its minimum eigenvalue. The inequality can get the equal sign only if <inline-formula id="inf17">
<mml:math id="m30">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the real ground state <inline-formula id="inf18">
<mml:math id="m31">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>To get the ground state, we usually start from the Hatree-Fock state. Selecting parameterize<inline-formula id="inf19">
<mml:math id="m32">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and then using <inline-formula id="inf20">
<mml:math id="m33">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to realize the prepared state,<disp-formula id="e3_2">
<mml:math id="m34">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(3.2)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e3_3">
<mml:math id="m35">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2329;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2329;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(3.3)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>We feedback the measured <inline-formula id="inf21">
<mml:math id="m36">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to the classical computer and get the <inline-formula id="inf22">
<mml:math id="m37">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> according to the optimization algorithm, taking <inline-formula id="inf23">
<mml:math id="m38">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as the initial state for next step,<disp-formula id="e3_4">
<mml:math id="m39">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>
</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(3.4)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Then repeat the above steps to get <inline-formula id="inf24">
<mml:math id="m40">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> until the energy converges and then,<disp-formula id="e3_5">
<mml:math id="m41">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(3.5)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e3_6">
<mml:math id="m42">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(3.6)</label>
</disp-formula>
</p>
</sec>
<sec id="s2-4">
<title>Unitary Couple Cluster</title>
<p>The UCC is an improved version of the classical CC method, and the parameterized system wave function is given by the CC method,<disp-formula id="e4_1">
<mml:math id="m43">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(4.1)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The <inline-formula id="inf25">
<mml:math id="m44">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is usually the Hartree-Fock state, and <inline-formula id="inf26">
<mml:math id="m45">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the CC amplitude vector, <inline-formula id="inf27">
<mml:math id="m46">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the excitation operator, defined as<disp-formula id="e4_2">
<mml:math id="m47">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(4.2)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e4_3">
<mml:math id="m48">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(4.3)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e4_4">
<mml:math id="m49">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(4.4)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="equ1">
<mml:math id="m50">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>For the trade-off between efficiency and accuracy, we usually intercept double excitations. Because the Hamiltonian mainly involves the interaction between monomer and two electrons, and then it can be proved that&#x20;higher-order excitations can be composed of a combination of single and double excitations, resulting in coupled cluster single and double excitation methods (CCSD)&#x20;[<xref ref-type="bibr" rid="B16">16</xref>].</p>
<p>By UCC method, the trial ansatz state is<disp-formula id="e4_5">
<mml:math id="m51">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(4.5)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Since <inline-formula id="inf28">
<mml:math id="m52">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>is an anti-Hermitian operator, so <inline-formula id="inf29">
<mml:math id="m53">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> means a unitary evolution.</p>
</sec>
<sec id="s2-5">
<title>Symmetry Optimization</title>
<p>However, for many molecules, some of its own characteristics are also important factors that can reduce the cost of quantum&#x20;chemical simulation, such as the number of electrons and wave function symmetry of molecules. For a definite molecule, then the selected basis function can be reduced to a smaller subspace. So the excitation operator that keeps the spin symmetry plays an important role. Based on this idea, we divide the single excitation operator into two categories:<disp-formula id="e5_1">
<mml:math id="m54">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(5.1)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e5_2">
<mml:math id="m55">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(5.2)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>This classification is similar to the singlet unitary coupled cluster (UCCD0) method [<xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>],<disp-formula id="e5_3">
<mml:math id="m56">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(5.3)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e5_4">
<mml:math id="m57">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(5.4)</label>
</disp-formula>Where the triplet-paired operator <inline-formula id="inf30">
<mml:math id="m58">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> give rise a electrons triplet and <inline-formula id="inf31">
<mml:math id="m59">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> give rise a electrons singlet.</p>
<p>It is mainly based on the fact that <inline-formula id="inf32">
<mml:math id="m60">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf33">
<mml:math id="m61">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> acting on any wave function will not change the symmetry of the states while&#x20;<inline-formula id="inf34">
<mml:math id="m62">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf35">
<mml:math id="m63">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> may change the state&#x2019;s symmetry. For most&#x20;molecules, we think that the HF state and the real ground state should have the same symmetry, so we reduce <inline-formula id="inf36">
<mml:math id="m64">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to:<disp-formula id="e5_5">
<mml:math id="m65">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(5.5)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>This method only retains the exited channel which keep the symmetry begin and after excitation. The number of excitation operator terms involved is <inline-formula id="inf37">
<mml:math id="m66">
<mml:mrow>
<mml:mi>O</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>However,<disp-formula id="e5_6">
<mml:math id="m67">
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(5.6)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Similarly,<disp-formula id="e5_7">
<mml:math id="m68">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(5.7)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Conbinating <xref ref-type="disp-formula" rid="e5_6">Eqs. 5.6</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e5_7">5.7</xref> we have<disp-formula id="e5_8">
<mml:math id="m69">
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(5.8)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>So we can replace the operator <inline-formula id="inf38">
<mml:math id="m70">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> involving four index with a combination of two <inline-formula id="inf39">
<mml:math id="m71">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and a pair of excitation operators. The unitary evolution is<disp-formula id="e5_9">
<mml:math id="m72">
<mml:mrow>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(5.9)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e5_10">
<mml:math id="m73">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(5.10)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The number of excitation operators involved in this method is <inline-formula id="inf40">
<mml:math id="m74">
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. We can get<disp-formula id="e5_11">
<mml:math id="m75">
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">h</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">h</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">h</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(5.11)</label>
</disp-formula>by Taylor expansion. While in <inline-formula id="inf41">
<mml:math id="m76">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>:<disp-formula id="e5_12">
<mml:math id="m77">
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">h</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(5.12)</label>
</disp-formula>
</p>
</sec>
<sec id="s2-6">
<title>Complexity</title>
<p>Let us consider a molecule with 2&#xa0;M orbitals and 2&#xa0;m electrons. We need 2&#xa0;M qubits to code quantum state. The HF state <inline-formula id="inf42">
<mml:math id="m78">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is <inline-formula id="inf43">
<mml:math id="m79">
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x220f;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. 2&#xa0;m electrons occupy first 2&#xa0;m orbits, then one of electron is excited from the <italic>i</italic>th orbit to <italic>j</italic>th orbit in a single excitation operation. Two electrons are excited from the <italic>i</italic>th and <italic>j</italic>th orbits to the <italic>k</italic>th and <italic>l</italic>th orbits respectively in the double excitation.</p>
<p>For a single excitation,<disp-formula id="e6_1">
<mml:math id="m80">
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msubsup>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x220f;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x220f;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x220f;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(6.1)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>According to the decomposition of the quantum circuit [<xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B20">20</xref>], we need 10 single qubit gates and <inline-formula id="inf44">
<mml:math id="m81">
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> CNOT gates to implement the above single excitation quantum circuit.</p>
<p>For a double excitation, the unitary evolution operator can be expressed by Paul operators as follow,<disp-formula id="e6_2">
<mml:math id="m82">
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msubsup>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x220f;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x220f;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x27;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(6.2)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf45">
<mml:math id="m83">
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the index of occupied orbit and <inline-formula id="inf46">
<mml:math id="m84">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the index of unoccupied&#x20;orbit.</p>
<p>Similarly, it needs 72 single qubit gates and <inline-formula id="inf47">
<mml:math id="m85">
<mml:mrow>
<mml:mn>16</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> CNOT gates to implement the above double excitation quantum circuit. From <xref ref-type="disp-formula" rid="e6_1">Eq. 6.1</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e6_2">Eq. 6.2</xref>, We can get clearly that the gate cost of each single or double excitation through J-W transformation is <inline-formula id="inf48">
<mml:math id="m86">
<mml:mrow>
<mml:mi>O</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. UCCSD needs <inline-formula id="inf49">
<mml:math id="m87">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> single excitations and <inline-formula id="inf50">
<mml:math id="m88">
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> double excitations. So its gate complexity is <inline-formula id="inf51">
<mml:math id="m89">
<mml:mrow>
<mml:mi>O</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> . UCCD0 needs <inline-formula id="inf52">
<mml:math id="m90">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> single excitations and <inline-formula id="inf53">
<mml:math id="m91">
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> double excitations. So its gate complexity is also <inline-formula id="inf54">
<mml:math id="m92">
<mml:mrow>
<mml:mi>O</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x20;.</p>
<p>While in SPUCC, we use the spin symmetry, the single excitation is <inline-formula id="inf55">
<mml:math id="m93">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the double excitation is <inline-formula id="inf56">
<mml:math id="m94">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> . The j<inline-formula id="inf57">
<mml:math id="m95">
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> and j<inline-formula id="inf58">
<mml:math id="m96">
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> are the 2<italic>j</italic>th and (2j-1)-th orbit. So it only needs <inline-formula id="inf59">
<mml:math id="m97">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> single excitations and <inline-formula id="inf60">
<mml:math id="m98">
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> double excitations. Its gate complexity is <inline-formula id="inf61">
<mml:math id="m99">
<mml:mrow>
<mml:mi>O</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</sec>
</sec>
<sec sec-type="results" id="s3">
<title>Results</title>
<p>We have studied four kinds of molecules<inline-formula id="inf62">
<mml:math id="m100">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">2</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf63">
<mml:math id="m101">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">4</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf64">
<mml:math id="m102">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">2</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf65">
<mml:math id="m103">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">N</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">2</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. We use Psi4 [<xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>] and OpenFermion [<xref ref-type="bibr" rid="B22">22</xref>] to obtain molecular Hamiltonian and QuTip [<xref ref-type="bibr" rid="B23">23</xref>] to realize quantum state evolution. In order to discuss the accuracy of the method, we compare it with exact diagonalization and other UCC methods, i.e.,&#x20;UCCSD, pair unitary coupled cluster double (pUCCD) [<xref ref-type="bibr" rid="B24">24</xref>] and UCCD0.</p>
<p>At the same time, we compare the time cost of the three molecules simulated by different methods on the classical computer, which we think can be used as a qualitative comparison of the complexity of the three methods. Because of the deviation of the pUCCD method, we do not evaluate its cost. For details, please see <xref ref-type="table" rid="T1">Table&#x20;1</xref>.</p>
<table-wrap id="T1" position="float">
<label>TABLE 1</label>
<caption>
<p>Time cost.</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th rowspan="2" align="left">Method</th>
<th align="left">model</th>
<th rowspan="2" align="center">H<sub>4</sub>(4,8)</th>
<th rowspan="2" align="center">H<sub>2</sub>O(6,10)</th>
<th rowspan="2" align="center">N<sub>2</sub>(6,10)</th>
</tr>
<tr>
<th align="left">time/s</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td colspan="2" align="left">UCCSD</td>
<td align="center">277.8</td>
<td align="center">1872.3</td>
<td align="center">1826.1</td>
</tr>
<tr>
<td colspan="2" align="left">UCCD0</td>
<td align="center">1119.5</td>
<td align="center">2169.4</td>
<td align="center">690.4</td>
</tr>
<tr>
<td colspan="2" align="left">SPUCC</td>
<td align="center">209.6</td>
<td align="center">202.1</td>
<td align="center">141.6</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>The data in the table is the time cost of different methods under this structure, <inline-formula id="inf69">
<mml:math id="m107">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">H</mml:mi>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1.738</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="normal">A,</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>45</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xb0;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf70">
<mml:math id="m108">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">2</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1.2</mml:mn>
<mml:mtext>A</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>104.5</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xb0;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf71">
<mml:math id="m109">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">N</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>(1.2A). The tolerance of iterative energy is <inline-formula id="inf72">
<mml:math id="m110">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>7</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. For molecule <inline-formula id="inf73">
<mml:math id="m111">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">2</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, it is too simple to show the superiority of SPUCC. It can be seen that SPUCC is better than other methods in all cases. It is affected by accuracy and molecular structure.</p>
<sec id="s3-1">
<title>Molecule <inline-formula id="inf74">
<mml:math id="m112">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">H</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">2</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</title>
<p>Molecule <inline-formula id="inf75">
<mml:math id="m113">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">H</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">2</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the simplest molecule in chemistry and only involves two atoms and two electrons. So it has only two molecular orbitals (MOs) and four orthogonal states, which can be expressed as:<disp-formula id="equ2">
<mml:math id="m114">
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x232A;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x232A;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x232A;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x232A;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
</disp-formula>Where, <inline-formula id="inf76">
<mml:math id="m115">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x232A;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3001;<inline-formula id="inf77">
<mml:math id="m116">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x232A;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf78">
<mml:math id="m117">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x232A;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are singlet while <inline-formula id="inf79">
<mml:math id="m118">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x232A;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is triplete. By using the method in Ref. [<xref ref-type="bibr" rid="B25">25</xref>], we have calculated the excited state of molecule <inline-formula id="inf80">
<mml:math id="m119">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> <inline-formula id="inf81">
<mml:math id="m120">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.7414</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> by using the initial VQE algorithm and obtained the following results.<disp-formula id="equ3">
<mml:math id="m121">
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x232A;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.9936</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x232A;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.1128</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x232A;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x232A;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x232A;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x232A;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x232A;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x232A;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.9936</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x232A;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.1128</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x232A;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>The results show that the ground state of molecule <inline-formula id="inf82">
<mml:math id="m122">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">2</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is a singlet state. Correspondingly, the ground state obtained by VQE is also composed of a singlet state, which proves our idea to some extent.</p>
</sec>
<sec id="s3-2">
<title>Molecule <inline-formula id="inf83">
<mml:math id="m123">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">H</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">4</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</title>
<p>Molecule <inline-formula id="inf84">
<mml:math id="m124">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is an unstable configuration. But because of its symmetry, it is often used as a criterion for evaluating different calculation methods&#x20;[<xref ref-type="bibr" rid="B26">26</xref>].</p>
<p>The molecule <inline-formula id="inf85">
<mml:math id="m125">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">4</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> configuration calculated by us is an inscribed rectangle with a diameter of 1.738A. By changing the circumferential angle <inline-formula id="inf86">
<mml:math id="m126">
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> of three atoms <inline-formula id="inf87">
<mml:math id="m127">
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> from <inline-formula id="inf88">
<mml:math id="m128">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>42.5</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xb0;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to <inline-formula id="inf89">
<mml:math id="m129">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>47.5</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xb0;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, its symmetry slowly transitions from <inline-formula id="inf90">
<mml:math id="m130">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to <inline-formula id="inf91">
<mml:math id="m131">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and back to <inline-formula id="inf92">
<mml:math id="m132">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. We give the potential energy curve of molecule <inline-formula id="inf93">
<mml:math id="m133">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> calculated by exact diagonalization, UCCSD, pUCCD, UCCD0 and SPUCC in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure&#x20;1</xref>.</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>FIGURE 1</label>
<caption>
<p>The picture above shows the variation of the energy of <inline-formula id="inf94">
<mml:math id="m134">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> molecule with the circumferential angle, and the figure below shows the difference of the energy of different methods and exact diagonalization from different angles. The red dotted line represents the chemical accuracy of <inline-formula id="inf95">
<mml:math id="m135">
<mml:mrow>
<mml:mn>1.6</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-09-735321-g001.tif"/>
</fig>
<p>It can be seen from <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure&#x20;1</xref> that there is a large energy deviation between pUCCD and UCCD0, while SPUCC shows the same accuracy as UCCSD. At the same time, UCCD0 shows the same superiority as SPUCC when the circumferential angle is <inline-formula id="inf96">
<mml:math id="m136">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>42.5</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xb0;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure&#x20;1</xref> shows that the circumferential angle varies from <inline-formula id="inf97">
<mml:math id="m137">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>42.5</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xb0;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to <inline-formula id="inf98">
<mml:math id="m138">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>47.5</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xb0;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and the offset calculated by SPUCC is within the range of chemical accuracy.</p>
<p>At the same time, we are also interested in studying the fidelity. The results have been shown in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure&#x20;2</xref>. We can find that SPUCC shows better accuracy than the usual VQE-UCC method.</p>
<fig id="F2" position="float">
<label>FIGURE 2</label>
<caption>
<p>The graph above shows the variation of the overlapping integral square of the experimental state and the exact diagonalized wave function with the circumferential angle simulated by different methods, with a maximum of 1.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-09-735321-g002.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s3-3">
<title>Molecule <inline-formula id="inf99">
<mml:math id="m139">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">H</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">O</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</title>
<p>Molecule <inline-formula id="inf100">
<mml:math id="m140">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mi>O</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the most common molecule in life. It acts as a solvent most of the time in chemistry and is very necessary to understand its properties. It is unequal hybrid of <inline-formula id="inf101">
<mml:math id="m141">
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and the heterozygosity between the two atoms <inline-formula id="inf102">
<mml:math id="m142">
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> and the vertex atom <inline-formula id="inf103">
<mml:math id="m143">
<mml:mi>O</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> is <inline-formula id="inf104">
<mml:math id="m144">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>104.5</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xb0;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>
<xref ref-type="fig" rid="F3">Figure&#x20;3</xref> shows that all methods show high accuracy in <inline-formula id="inf105">
<mml:math id="m145">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>1.2</mml:mn>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. When <inline-formula id="inf106">
<mml:math id="m146">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:mn>1.2</mml:mn>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the pUCCD begins to shift, and other methods have good accuracy, and the maximum error shown by SPUCCD on the graph is about <inline-formula id="inf107">
<mml:math id="m147">
<mml:mrow>
<mml:mn>1.15</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<fig id="F3" position="float">
<label>FIGURE 3</label>
<caption>
<p>The graph above shows the energy of molecule <inline-formula id="inf108">
<mml:math id="m148">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mi>O</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> <inline-formula id="inf109">
<mml:math id="m149">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>104.5</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xb0;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> varies with the bond length (6 electrons and 10 orbitals). The following figure shows the difference of the energy of each method and exact diagonalization with different bond lengths. The red dotted line represents the chemical precision of <inline-formula id="inf110">
<mml:math id="m150">
<mml:mrow>
<mml:mn>1.6</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> .</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-09-735321-g003.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s3-4">
<title>Molecule <inline-formula id="inf111">
<mml:math id="m151">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">N</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</title>
<p>Because of the existence of three bonds with strong correlation, molecule <inline-formula id="inf112">
<mml:math id="m152">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> has become one of the strictest test cases of single reference electron structure. It has six active <italic>p</italic> electrons, which form several equivalent configurations at the bond dissociation&#x20;limit.</p>
<p>In <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure&#x20;4</xref>, excepting for the offset of pUCCD, all the other methods have good accuracy. SPUCC shows better results than UCCD0 on the graph, and its maximum error is about <inline-formula id="inf113">
<mml:math id="m153">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x20;.</p>
<fig id="F4" position="float">
<label>FIGURE 4</label>
<caption>
<p>A graph in which the energy of a molecule <inline-formula id="inf114">
<mml:math id="m154">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> varies with bond length (6 electrons and 10 orbitals). The above picture shows the curve of the energy of each method in the bond dissociation region with the bond length, and the diagram below shows the relationship between the difference between each method and the diagonalization energy and the bond length. The red dotted line represents the chemical precision of <inline-formula id="inf115">
<mml:math id="m155">
<mml:mrow>
<mml:mn>1.6</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> .</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-09-735321-g004.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s3-5">
<title>Excited State</title>
<p>On the basis of the previous work, we have studied the different molecular spin states. For example, the ground state and the second excited state (singlet state) and the first excited state (triplet state) of molecule <inline-formula id="inf116">
<mml:math id="m156">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mi>O</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Because of the difference of symmetry, the SPUCC method will not fall into the triplet state from the test state of a singlet state. When using the method in Ref. [<xref ref-type="bibr" rid="B25">25</xref>], we do not operate when we calculate the singlet state, but when we calculate the triplet state, we use an excitation operator <inline-formula id="inf117">
<mml:math id="m157">
<mml:mrow>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2191;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2193;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to obtain a triplet state on the initial HF state, and then take the triplet state as the initial state. We have calculated the excited states of both molecule <inline-formula id="inf118">
<mml:math id="m158">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mi>O</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and molecule <inline-formula id="inf119">
<mml:math id="m159">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The results are shown in <xref ref-type="fig" rid="F5">Figures 5</xref>, <xref ref-type="fig" rid="F6">6</xref> and is in line with expectations.</p>
<fig id="F5" position="float">
<label>FIGURE 5</label>
<caption>
<p>A graph in which the energy of a molecule <inline-formula id="inf120">
<mml:math id="m160">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mi>O</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> varies with bond length (6 electrons and 10 orbitals). The <inline-formula id="inf121">
<mml:math id="m161">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represents the singlet state, and the <inline-formula id="inf122">
<mml:math id="m162">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represents the triplet state. From the bottom up, they are the ground state, the first and second excited states of the molecule.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-09-735321-g005.tif"/>
</fig>
<fig id="F6" position="float">
<label>FIGURE 6</label>
<caption>
<p>A graph in which the energy of a molecule <inline-formula id="inf123">
<mml:math id="m163">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> varies with bond length (6 electrons and 10 orbitals). The <inline-formula id="inf124">
<mml:math id="m164">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represents the singlet state, and the <inline-formula id="inf125">
<mml:math id="m165">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represents the triplet state. From the bottom up, they are the ground state, the first and second excited states of the molecule.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-09-735321-g006.tif"/>
</fig>
</sec>
</sec>
<sec sec-type="conclusion" id="s4">
<title>Conclusion</title>
<p>The VQE-UCC method is a practical quantum algorithm for calculating molecular energy spectra. It can reproduce the exact electronic structure properties of many molecular systems within the range of chemical accuracy. The main reason for the success of this algorithm is its variational property. However, limited by the current technology, the number of qubits and coherent time limit the scalability of the quantum chemistry simulation system. The complexity of UCCSD leads to the increase of quantum circuit depth, and our proposed UCC method variant SPUCC method reduces its complexity, correspondingly reduces the circuit depth of quantum simulation, and makes it more suitable for today&#x2019;s NISQ. We calculate the energy changes of a series of molecules along the bond length. Our simulations show correct qualitative dissociation curves, which are basically within the range of chemical accuracy on the whole dissociation curve. At the same time, we also calculate their excited states across spin symmetry, which provides some experience for us to calculate the excited states of molecules in the future. In a word, we prove that the potential of the SPUCC method proposed in this paper can be equal to that of the current variants, and it can also deal with the strong correlation system very well. The combination of this method with the recent VQE method is expected to open up a new possibility for the use of ground-depth circuits in NISQ to solve the electronic structure problems of macromolecular systems.</p>
</sec>
</body>
<back>
<sec id="s5">
<title>Data Availability Statement</title>
<p>The original contributions presented in the study are included in the article/Supplementary Material, further inquiries can be directed to the corresponding author.</p>
</sec>
<sec id="s6">
<title>Author Contributions</title>
<p>All authors listed have made a substantial, direct, and intellectual contribution to the work and approved it for publication.</p>
</sec>
<sec id="s7">
<title>Funding</title>
<p>This work is supported by the National Basic Research Program of China under Grant No. 2016YFA0301903 and the National Natural Science Foundation of China under Grants No. 61632021, No. 11904402 and No. 12004430.</p>
</sec>
<sec sec-type="COI-statement" id="s8">
<title>Conflict of Interest</title>
<p>The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
</sec>
<sec sec-type="disclaimer" id="s9">
<title>Publisher&#x2019;s Note</title>
<p>All claims expressed in this article are solely those of the authors and do not necessarily represent those of their affiliated organizations, or those of the publisher, the editors and the reviewers. Any product that may be evaluated in this article, or claim that may be made by its manufacturer, is not guaranteed or endorsed by the publisher.</p>
</sec>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<label>1.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Feynman</surname>
<given-names>RP</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Quantum Mechanical Computers</article-title>. <source>Found Phys</source> (<year>1986</year>) <volume>16</volume>(<issue>6</issue>):<fpage>507</fpage>&#x2013;<lpage>31</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/BF01886518</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B2">
<label>2.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Georgescu</surname>
<given-names>IM</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ashhab</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nori</surname>
<given-names>F</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Quantum Simulation</article-title>. <source>Rev Mod Phys</source> (<year>2014</year>) <volume>86</volume>(<issue>1</issue>):<fpage>153</fpage>&#x2013;<lpage>85</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/RevModPhys.86.153</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B3">
<label>3.</label>
<citation citation-type="confproc">
<article-title>Proceedings 35th Annual Symposium on Foundations of Computer Science</article-title>. In: <conf-name>Paper presented at the Proceedings 35th Annual Symposium on Foundations of Computer Science</conf-name>; <conf-date>20-22 Nov. 1994</conf-date>; <conf-loc>Santa Fe, NM, USA</conf-loc>. <publisher-name>IEEE</publisher-name> (<year>1994</year>). <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/SFCS.1994.365747</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B4">
<label>4.</label>
<citation citation-type="web">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kelly</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
</person-group>. &#x201c;<article-title>Engineering Superconducting Qubit Arrays for Quantum Supremacy</article-title>,&#x201d; in <conf-name>APS March Meeting 2018</conf-name>. <publisher-name>American Physical Society</publisher-name> (<year>2018</year>). <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2018APS..MARA33001K">https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2018APS.MARA33001K</ext-link>. </citation>
</ref>
<ref id="B5">
<label>5.</label>
<citation citation-type="confproc">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Murali</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
<name>
<surname>Linke</surname>
<given-names>N</given-names>
</name>
<name>
<surname>Martonosi</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Abhari</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nguyen</surname>
<given-names>N</given-names>
</name>
<name>
<surname>Huerta Alderete</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Full-Stack, Real-System Quantum Computer Studies: Architectural Comparisons and Design Insights</article-title>. In: <conf-name>ISCA 19: The 46th Annual International Symposium on Computer Architecture</conf-name>; <conf-date>June 22 - 26, 2019</conf-date>; <conf-loc>Phoenix AZ</conf-loc>. <publisher-loc>Phoenix, AZ</publisher-loc>: <publisher-name>Association for Computing Machinery</publisher-name> (<year>2019</year>). p. <fpage>527</fpage>&#x2013;<lpage>40</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1145/3307650.3322273</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B6">
<label>6.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>McClean</surname>
<given-names>JR</given-names>
</name>
<name>
<surname>Romero</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Babbush</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Aspuru-Guzik</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>The Theory of Variational Hybrid Quantum-Classical Algorithms</article-title>. <source>New J&#x20;Phys</source> (<year>2016</year>) <volume>18</volume>(<issue>2</issue>):<fpage>023023</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1367-2630/18/2/023023</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B7">
<label>7.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Peruzzo</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>McClean</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shadbolt</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yung</surname>
<given-names>M-H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhou</surname>
<given-names>X-Q</given-names>
</name>
<name>
<surname>Love</surname>
<given-names>PJ</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>A Variational Eigenvalue Solver on a Photonic Quantum Processor</article-title>. <source>Nat Commun</source> (<year>2014</year>) <volume>5</volume>:<fpage>4213</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/ncomms5213</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B8">
<label>8.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hempel</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
<name>
<surname>Maier</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
<name>
<surname>Romero</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>McClean</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Monz</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shen</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Quantum Chemistry Calculations on a Trapped-Ion Quantum Simulator</article-title>. <source>Phys Rev X</source> (<year>2018</year>) <volume>8</volume>(<issue>3</issue>):<fpage>031022</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevX.8.031022</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B9">
<label>9.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Shen</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>X</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>J-N</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yung</surname>
<given-names>M-H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kim</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Quantum Implementation of the Unitary Coupled Cluster for Simulating Molecular Electronic Structure</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>2017</year>) <volume>95</volume>(<issue>2</issue>):<fpage>020501</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevA.95.020501</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B10">
<label>10.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>&#x10c;&#xed;&#x17e;ek</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>On the Correlation Problem in Atomic and Molecular Systems. Calculation of Wavefunction Components in Ursell&#x2010;Type Expansion Using Quantum&#x2010;Field Theoretical Methods</article-title>. <source>J&#x20;Chem Phys</source> (<year>1966</year>) <volume>45</volume>(<issue>11</issue>):<fpage>4256</fpage>&#x2013;<lpage>66</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/1.1727484</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B11">
<label>11.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bartlett</surname>
<given-names>RJ</given-names>
</name>
<name>
<surname>Musia&#x142;</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Coupled-cluster Theory in Quantum Chemistry</article-title>. <source>Rev Mod Phys</source> (<year>2007</year>) <volume>79</volume>:<fpage>291</fpage>&#x2013;<lpage>352</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/revmodphys.79.291</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B12">
<label>12.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Preskill</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Quantum Computing in the NISQ Era and beyond</article-title>. <source>Quantum</source> (<year>2018</year>) <volume>2</volume>:<fpage>79</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.22331/q-2018-08-06-79</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B13">
<label>13.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Jensen</surname>
<given-names>F</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Atomic Orbital Basis Sets</article-title>. <source>Wires Comput Mol Sci</source> (<year>2013</year>) <volume>3</volume>:<fpage>273</fpage>&#x2013;<lpage>95</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/wcms.1123</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B14">
<label>14.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Nagy</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
<name>
<surname>Jensen</surname>
<given-names>F</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Basis Sets in Quantum Chemistry</article-title> in: <source>Reviews in Computational Chemistry</source>. <edition>Chapter 3</edition>. <publisher-loc>Hoboken, NJ</publisher-loc>: <publisher-name>Wiley Online Library</publisher-name> (<year>2017</year>). p. <fpage>93</fpage>&#x2013;<lpage>149</lpage>. </citation>
</ref>
<ref id="B15">
<label>15.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Whitfield</surname>
<given-names>JD</given-names>
</name>
<name>
<surname>Biamonte</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Aspuru-Guzik</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Simulation of Electronic Structure Hamiltonians Using Quantum Computers</article-title>. <source>Mol Phys</source> (<year>2011</year>) <volume>109</volume>:<fpage>735</fpage>&#x2013;<lpage>50</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1080/00268976.2011.552441</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B16">
<label>16.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wecker</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hastings</surname>
<given-names>MB</given-names>
</name>
<name>
<surname>Troyer</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Progress towards Practical Quantum Variational Algorithms</article-title>. <source>Phys Rev A: Mol Opt Phys</source> (<year>2015</year>) <volume>92</volume>:<fpage>042303</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreva.92.042303</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B17">
<label>17.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bulik</surname>
<given-names>IW</given-names>
</name>
<name>
<surname>Henderson</surname>
<given-names>TM</given-names>
</name>
<name>
<surname>Scuseria</surname>
<given-names>GE</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Can Single-Reference Coupled Cluster Theory Describe Static Correlation?</article-title> <source>J&#x20;Chem Theor Comput.</source> (<year>2015</year>) <volume>11</volume>(<issue>7</issue>):<fpage>3171</fpage>&#x2013;<lpage>9</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1021/acs.jctc.5b00422</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B18">
<label>18.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Gomez</surname>
<given-names>JA</given-names>
</name>
<name>
<surname>Henderson</surname>
<given-names>TM</given-names>
</name>
<name>
<surname>Scuseria</surname>
<given-names>GE</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Recoupling the Singlet- and Triplet-Pairing Channels in Single-Reference Coupled Cluster Theory</article-title>. <source>J&#x20;Chem Phys</source> (<year>2016</year>) <volume>145</volume>(<issue>13</issue>):<fpage>134103</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/1.4963870</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B19">
<label>19.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Cao</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Romero</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Olson</surname>
<given-names>JP</given-names>
</name>
<name>
<surname>Degroote</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Johnson</surname>
<given-names>PD</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kieferov&#xe1;</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Quantum Chemistry in the Age of Quantum Computing</article-title>. <source>Chem Rev</source> (<year>2019</year>) <volume>119</volume>(<issue>19</issue>):<fpage>10856</fpage>&#x2013;<lpage>915</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1021/acs.chemrev.8b00803</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B20">
<label>20.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Romero</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Babbush</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>McClean</surname>
<given-names>JR</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hempel</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
<name>
<surname>Love</surname>
<given-names>PJ</given-names>
</name>
<name>
<surname>Aspuru-Guzik</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Strategies for Quantum Computing Molecular Energies Using the Unitary Coupled Cluster Ansatz</article-title>. <source>Quan Sci. Technol.</source> (<year>2018</year>) <volume>4</volume>(<issue>1</issue>):<fpage>014008</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/2058-9565/aad3e4</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B21">
<label>21.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Smith</surname>
<given-names>DGA</given-names>
</name>
<name>
<surname>Burns</surname>
<given-names>LA</given-names>
</name>
<name>
<surname>Simmonett</surname>
<given-names>AC</given-names>
</name>
<name>
<surname>Parrish</surname>
<given-names>RM</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schieber</surname>
<given-names>MC</given-names>
</name>
<name>
<surname>Galvelis</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Psi4 1.4: Open-Source Software for High-Throughput Quantum Chemistry</article-title>. <source>J&#x20;Chem Phys</source> (<year>2020</year>) <volume>152</volume>:<fpage>184108</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/5.0006002</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B22">
<label>22.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>McClean</surname>
<given-names>JR</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rubin</surname>
<given-names>NC</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sung</surname>
<given-names>KJ</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kivlichan</surname>
<given-names>ID</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bonet-Monroig</surname>
<given-names>X</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cao</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>OpenFermion: the Electronic Structure Package for Quantum Computers</article-title>. <source>Quan Sci. Technol.</source> (<year>2020</year>) <volume>5</volume>(<issue>3</issue>):<fpage>034014</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/2058-9565/ab8ebc</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B23">
<label>23.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Johansson</surname>
<given-names>JR</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nation</surname>
<given-names>PD</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nori</surname>
<given-names>F</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>QuTiP 2: A Python Framework for the Dynamics of Open Quantum Systems</article-title>. <source>Comp Phys Commun</source> (<year>2013</year>) <volume>184</volume>(<issue>4</issue>):<fpage>1234</fpage>&#x2013;<lpage>40</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.cpc.2012.11.019</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B24">
<label>24.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zhao</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Neuscamman</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Amplitude Determinant Coupled Cluster with Pairwise Doubles</article-title>. <source>J&#x20;Chem Theor Comput.</source> (<year>2016</year>) <volume>12</volume>:<fpage>5841</fpage>&#x2013;<lpage>50</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1021/acs.jctc.6b00812</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B25">
<label>25.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Higgott</surname>
<given-names>O</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>DS</given-names>
</name>
<name>
<surname>Brierley</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Variational Quantum Computation of Excited States</article-title>. <source>Quantum</source> (<year>2019</year>) <volume>3</volume>:<fpage>156</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.22331/q-2019-07-01-156</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B26">
<label>26.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Genovese</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
<name>
<surname>Meninno</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sorella</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Assessing the Accuracy of the Jastrow Antisymmetrized Geminal Power in the H4 Model System</article-title>. <source>J&#x20;Chem Phys</source> (<year>2019</year>) <volume>150</volume>(<issue>8</issue>):<fpage>084102</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/1.5081933</pub-id> </citation>
</ref>
</ref-list>
</back>
</article>