لوس ألاموس وQC Ware تنمذجان أكاسيد الحديد بالقطرنة القائمة على العينات على عتاد IBM
تحصل ورقة أولية من LANL وQC Ware على الحالات الأرضية لنموذجَي FeO وFe2O2 بالقطرنة الكمومية القائمة على العينات على ibm_miami، حيث لم يكفِ VQE وحده.
تُرجمت هذه الصفحة من الإنجليزية. أسماء الشركات والمنتجات وروابط المصادر لم تتغير. اقرأ النسخة الأصلية بالإنجليزية
أظهر باحثون في Los Alamos National Laboratory وفي شركة البرمجيات الكمومية QC Ware كيف تتعامل طريقة هجينة كمومية-كلاسيكية مع نماذج صغيرة لأكاسيد الحديد، وهي فئة من المواد يصعب نمذجتها بالمحاكاة التقليدية. ففي الورقة الأولية Towards Quantum Computation of Bulk FeO المنشورة في 26 أكتوبر، يدرس ستة مؤلفين جزيء FeO وثنائي Fe₂O₂ المعيّني الشكل باستخدام القطرنة الدقيقة الكلاسيكية (exact diagonalization) وVariational Quantum Eigensolver (VQE) والقطرنة الكمومية القائمة على العينات (Sample-based Quantum Diagonalization، SQD).
ما الذي أُعلن
يضم مؤلفو الورقة خمسة باحثين من لوس ألاموس وباحثًا واحدًا من QC Ware. وبحسب الملخص، لم يبلغ VQE وحده الدقة الكيميائية للحالة الأرضية لأيٍّ من الجزيئين. في المقابل، حصل SQD مع «قشرتَي ترابط» على طاقة الحالة الأرضية الدقيقة لكليهما، بموارد حوسبة كمومية يصفها المؤلفون بأنها قليلة على نحو مدهش. وأعادت الطريقة إنتاج الحالة الأرضية الخماسية (quintet) المعروفة تجريبيًا لـFeO، ووجدت حالة أرضية تساعية (nonet) لـFe₂O₂.
التفاصيل التقنية
يصف Quantum Computing Report سير العمل. فقد بنى الفريق هاملتونيات ربط محكم d–p متعددة المدارات انطلاقًا من دوال Wannier موضعية مستخلصة من حسابات نظرية الكثافة الوظيفية (DFT). واستخدمت الدوائر مقاربة Local Unitary Cluster Jastrow (LUCJ) أحادية الطبقة مع ترابط بين الجيران الأقربين فقط، ما يجنّب عبء بوابات SWAP غير الموضعية. ولتفادي «الهضاب القاحلة» (barren plateaus)، جرى تحسين معاملات الدوائر في محاكاة كلاسيكية، ثم استُخدم المعالج الكمومي فقط لأخذ عينات من التشكيلات الإلكترونية.
أُجريت التجارب على نظام ibm_miami التابع لـIBM Quantum. وبحسب QCR، نُمذج FeO بـ12 إلكترونًا في 16 مدارًا مغزليًا (16 كيوبت) مع ست نسخ متوازية تشغل 96 كيوبت، ونُمذج Fe₂O₂ بـ24 إلكترونًا في 32 مدارًا مغزليًا (32 كيوبت) مع ثلاث نسخ متوازية. ثم رُشّحت سلاسل البتات الناتجة وفق العدد الصحيح للجسيمات، ووُسِّعت عبر العناصر غير الصفرية للهاملتوني، وأُجريت قطرنة المسألة الأصغر الناتجة كلاسيكيًا.
وبحسب QCR، ترك VQE الخام خطأً مستمرًا يقارب 173 ملي إلكترون فولت لـFeO، وهو أعلى من عتبة الدقة الكيميائية البالغة 43 ملي إلكترون فولت. ومع قشرتَي ترابط، استعاد SQD الحالة الخماسية المرصودة تجريبيًا لـFeO في فضاء جزئي مضغوط من 184 محددًا (determinant)، وأعطى طاقة إثارة تقارب 2167 سم⁻¹.
لماذا يهم ذلك
يُعدّ FeO الصلب مثالًا نموذجيًا على المواد شديدة الترابط: إذ يشير QCR إلى أن نظرية الكثافة الوظيفية القياسية تتنبأ خطأً بأنه فلز، مع أنه في الواقع عازل. ويؤكد الملخص أن المواد القائمة على الحديد مهمة لعلم الأرض والفيزياء الفلكية ومعروفة بصعوبة حسابها كلاسيكيًا. ويتسق العمل أيضًا مع اتجاه أوسع: استخدام معالجات اليوم المشوّشة مولّداتٍ للعينات داخل مسار يغلب عليه الطابع الكلاسيكي، بدلًا من تكليفها بالحساب كاملًا.
ما الذي يجب مراقبته
هذا العمل ورقة أولية ولم يخضع لتحكيم الأقران. والجزيئات المدروسة ليست سوى بدائل صغيرة للهدف الحقيقي. وبحسب QCR، يرسم المؤلفون مسارًا نحو FeO الصلب الدوري عبر توزيع حسابات SQD على نقاط في فضاء الزخم للبلورة؛ وذلك هو الاختبار الحقيقي لمعرفة ما إذا كانت المقاربة قابلة للتوسع إلى المواد الصلبة.
المصادر
تستند الحقائق الواردة في هذه الصفحة إلى المصادر أدناه، كما جمعها DesignQuantum.