Unveiling Intrinsic Many-Body Complexity by Compressing Single-Body Triviality
Abstract: The simultaneous treatment of static and dynamical correlations in strongly-correlated electron systems is a critical challenge. In particular, finding a universal scheme for identifying a single-particle orbital basis that minimizes the representational complexity of the many-body wavefunction is a formidable and longstanding problem. As a substantial contribution towards its solution, we show that the total orbital correlation actually reveals and quantifies the intrinsic complexity of the wavefunction,once it is minimized via orbital rotations. To demonstrate the power of this concept in practice, an iterative scheme is proposed to optimize the orbitals by minimizing the total orbital correlation calculated by the tailored coupled cluster singles and doubles (TCCSD) ansatz. The optimized orbitals enable the limited TCCSD ansatz to capture more non-trivial information of the many-body wavefunction, indicated by the improved wavefunction and energy. An initial application of this scheme shows great improvement of TCCSD in predicting the singlet ground state potential energy curves of the strongly correlated C${\rm 2}$ and Cr${\rm 2}$ molecule.
- Y. Kurashige, G. K.-L. Chan, and T. Yanai, Nature Chemistry 5, 660 (2013).
- T. Kato, Communications on Pure and Applied Mathematics 10, 151 (1957).
- J. J. Shepherd and A. Grüneis, Physical Review Letters 110, 10.1103/PhysRevLett.110.226401 (2013), arxiv:1310.6059 .
- M. Ochi, R. Arita, and S. Tsuneyuki, Physical Review Letters 118, 026402 (2017).
- V. A. Neufeld and T. C. Berkelbach, Physical Review Letters 131, 186402 (2023).
- N. D. Drummond and R. J. Needs, Physical Review Letters 99, 166401 (2007).
- J. Cioslowski, C. Schilling, and R. Schilling, The Journal of Chemical Physics 158, 084106 (2023).
- U. Schollwöck, Reviews of Modern Physics 77, 259 (2005).
- G. K.-L. Chan and S. Sharma, Annual Review of Physical Chemistry 62, 465 (2011).
- A. Baiardi and M. Reiher, The Journal of Chemical Physics 152, 040903 (2020).
- G. H. Booth, A. J. Thom, and A. Alavi, Journal of Chemical Physics 131, 054106 (2009).
- D. Cleland, G. H. Booth, and A. Alavi, Journal of Chemical Physics 132, 10.1063/1.3302277 (2010).
- G. Li Manni, S. D. Smart, and A. Alavi, Journal of Chemical Theory and Computation 12, 1245 (2016).
- H. Shi and S. Zhang, The Journal of Chemical Physics 154, 024107 (2021).
- J. Lee, H. Q. Pham, and D. R. Reichman, Journal of Chemical Theory and Computation 18, 7024 (2022).
- K. Andersson, P.-Å. Malmqvist, and B. O. Roos, The Journal of Chemical Physics 96, 1218 (1992).
- R. Bartlett and M. Musiał, Reviews of Modern Physics 79, 291 (2007).
- D. Kats and F. R. Manby, The Journal of Chemical Physics 139, 021102 (2013).
- D. Kats, The Journal of Chemical Physics 141, 061101 (2014).
- D. Kats and A. Köhn, The Journal of Chemical Physics 150 (2019).
- W. Yang, Y. Zhang, and P. W. Ayers, Physical Review Letters 84, 5172 (2000).
- D. A. Mazziotti, Physical Review Letters 97, 143002 (2006).
- D. A. Mazziotti, Physical Review Letters 101, 253002 (2008).
- C. Schilling and S. Pittalis, Physical Review Letters 127, 023001 (2021).
- E. Neuscamman, T. Yanai, and G. K.-L. Chan, International Reviews in Physical Chemistry 29, 231 (2010).
- H. Luo and A. Alavi, Journal of Chemical Theory and Computation 14, 1403 (2018).
- E. Vitale, A. Alavi, and D. Kats, Journal of Chemical Theory and Computation 16, 5621 (2020).
- A. Baiardi, M. Lesiuk, and M. Reiher, Journal of Chemical Theory and Computation 18, 4203 (2022).
- P.-O. Löwdin, Physical Review 97, 1474 (1955).
- A. G. Taube and R. J. Bartlett, Collection of Czechoslovak Chemical Communications 70, 837 (2005).
- A. G. Taube and R. J. Bartlett, The Journal of Chemical Physics 128, 164101 (2008).
- L. Kong, F. A. Bischoff, and E. F. Valeev, Chemical Reviews 112, 75 (2012).
- M. Srednicki, Physical Review Letters 71, 666 (1993).
- M. B. Hastings, Physical Review B 76, 035114 (2007).
- J. Eisert, M. Cramer, and M. B. Plenio, Reviews of Modern Physics 82, 277 (2010).
- G. Li Manni, W. Dobrautz, and A. Alavi, Journal of Chemical Theory and Computation 16, 2202 (2020).
- B. O. Roos, International Journal of Quantum Chemistry 18, 175 (1980).
- Z. Tóth and P. Pulay, Journal of Chemical Theory and Computation 16, 7328 (2020).
- The selection of the active space in general is a very challenging task on its own, here we focus on the optimization of the orbitals within a given active space size.
- J. Lee and M. Head-Gordon, Journal of Chemical Theory and Computation 14, 5203 (2018).
- K. Boguslawski and P. Tecmer, International Journal of Quantum Chemistry 115, 1289 (2015).
- C. J. Stein and M. Reiher, Journal of Chemical Theory and Computation 12, 1760 (2016).
- C. J. Stein and M. Reiher, Molecular Physics 115, 2110 (2017).
- L. Ding and C. Schilling, Journal of Chemical Theory and Computation 16, 4159 (2020).
- L. Henderson and V. Vedral, Journal of Physics A: Mathematical and General 34, 6899 (2001).
- B. Groisman, S. Popescu, and A. Winter, Physical Review A 72, 032317 (2005).
- L. Ding, S. Knecht, and C. Schilling, The Journal of Physical Chemistry Letters 14, 11022 (2023).
- N. Gigena and R. Rossignoli, Physical Review A 92, 042326 (2015).
- T. Kinoshita, O. Hino, and R. J. Bartlett, The Journal of Chemical Physics 123, 074106 (2005).
- W. Kutzelnigg and W. Liu, The Journal of Chemical Physics 123, 241102 (2005).
- D. Peng and M. Reiher, Theoretical Chemistry Accounts 131, 1081 (2012).
- B. O. Roos, Collection of Czechoslovak Chemical Communications 68, 265 (2003).
- Y. Kurashige and T. Yanai, The Journal of Chemical Physics 135, 094104 (2011).
- K. Hongo and R. Maezono, International Journal of Quantum Chemistry 112, 1243 (2012).
- W. Purwanto, S. Zhang, and H. Krakauer, The Journal of Chemical Physics 142, 064302 (2015).
- S. Vancoillie, P. Å. Malmqvist, and V. Veryazov, Journal of Chemical Theory and Computation 12, 1647 (2016).
Paper Prompts
Sign up for free to create and run prompts on this paper using GPT-5.
Top Community Prompts
Collections
Sign up for free to add this paper to one or more collections.