Determining the <i>N</i>-representability of transition reduced density matrices

G Gustavo E. Massaccesi (Departamento de Ciencias Exactas, Ciclo Básico Común, Universidad de Buenos Aires, Ciudad Universitaria 4 , 1428 Buenos Aires,) P Pablo Capuzzi (Universidad de Buenos Aires, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Departamento de Física, Ciudad Universitaria 3 , 1428 Buenos Aires,) O Ofelia B. Oña (Instituto de Investigaciones Fisicoquímicas Teóricas y Aplicadas, Universidad Nacional de La Plata, Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas 2 , Diag. 113 y 64 (S/N), Sucursal 4, CC 16, 1900 La Plata,) L Luis Lain (Departamento de Química Física, Facultad de Ciencia y Tecnología, Universidad del País Vasco 3 , Apdo. 644, E-48080 Bilbao,) A Alicia Torre (Departamento de Química Física, Facultad de Ciencia y Tecnología, Universidad del País Vasco 3 , Apdo. 644, E-48080 Bilbao,) J Juan E. Peralta (Department of Physics, Central Michigan University , Mount Pleasant, Michigan 48859,) D Diego R. Alcoba (Universidad de Buenos Aires, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Departamento de Física, Ciudad Universitaria 1 , 1428 Buenos Aires,)

Abstract

The N-representability problem of reduced density matrices represents a fundamental challenge in electronic structure theory. In this work, we focus on the N-representability of transition reduced density matrices and propose a practical approach to embed a p-body transition reduced density matrix (RDM) of an N-particle system into a (p + 1)-body RDM of an (N + 1)-particle system. This embedding allows us to apply a unitary evolution algorithm based on a recently developed adaptive derivative-assembled pseudo-Trotter variational quantum algorithm to determine the N-representability of reduced density matrices. The algorithm works by effectively applying a sequence of unitary transformations to a given (N + 1)-particle initial state in such a way that the distance of a projection of its corresponding (p + 1)-body RDM (embedded p-body transition RDM) to a target is minimized. Our methodology enables the purification of transition reduced density matrices and the reconstruction of approximate wave functions involved in the studied transitions, providing an effective strategy to correct and refine transition density matrices. We validate our approach with numerical simulations on N-particle systems, including a three-electron model system and the H3 molecule, demonstrating its robustness and accuracy.

Article Details

Volume / Issue Vol. 163, Issue 3
Published July 21, 2025
ISSN 0021-9606
Publisher American Institute of Physics

Journal Info

The Journal of Chemical Physics

American Institute of Physics

ISSN: 0021-9606 Physical Sciences

Authors (7)

G

Gustavo E. Massaccesi

Departamento de Ciencias Exactas, Ciclo Básico Común, Universidad de Buenos Aires, Ciudad Universitaria 4 , 1428 Buenos Aires,

P

Pablo Capuzzi

Universidad de Buenos Aires, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Departamento de Física, Ciudad Universitaria 3 , 1428 Buenos Aires,

O

Ofelia B. Oña

Instituto de Investigaciones Fisicoquímicas Teóricas y Aplicadas, Universidad Nacional de La Plata, Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas 2 , Diag. 113 y 64 (S/N), Sucursal 4, CC 16, 1900 La Plata,

L

Luis Lain

Departamento de Química Física, Facultad de Ciencia y Tecnología, Universidad del País Vasco 3 , Apdo. 644, E-48080 Bilbao,

A

Alicia Torre

Departamento de Química Física, Facultad de Ciencia y Tecnología, Universidad del País Vasco 3 , Apdo. 644, E-48080 Bilbao,

J

Juan E. Peralta

Department of Physics, Central Michigan University , Mount Pleasant, Michigan 48859,

D

Diego R. Alcoba

Universidad de Buenos Aires, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Departamento de Física, Ciudad Universitaria 1 , 1428 Buenos Aires,