Los Alamos y QC Ware modelan óxidos de hierro con diagonalización basada en muestras en hardware de IBM
Un preprint de LANL y QC Ware recupera los estados fundamentales de modelos de FeO y Fe2O2 con diagonalización cuántica basada en muestras en ibm_miami, donde el VQE no bastó.
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Investigadores del Los Alamos National Laboratory y de la empresa de software cuántico QC Ware han mostrado cómo un método híbrido cuántico-clásico puede abordar modelos pequeños de óxidos de hierro, una clase de materiales con la que los métodos de simulación convencionales tienen dificultades. En un preprint titulado Towards Quantum Computation of Bulk FeO, publicado el 26 de octubre, los seis autores estudian la molécula de FeO y el dímero rómbico Fe₂O₂ mediante diagonalización exacta clásica, el Variational Quantum Eigensolver (VQE) y la diagonalización cuántica basada en muestras (Sample-based Quantum Diagonalization, SQD).
Qué se anunció
La lista de autores del artículo incluye a cinco investigadores de Los Alamos y a uno de QC Ware. Según el resumen, el VQE por sí solo no alcanzó la precisión química para el estado fundamental de ninguna de las dos moléculas. En cambio, la SQD con dos «capas de conectividad» recuperó la energía exacta del estado fundamental de ambas usando, en palabras de los autores, notablemente pocos recursos de computación cuántica. El método reprodujo el estado fundamental quintete de FeO conocido experimentalmente y encontró un estado fundamental nonete para Fe₂O₂.
Los detalles técnicos
Quantum Computing Report describe el flujo de trabajo. El equipo construyó hamiltonianos de enlace fuerte d–p multiorbitales a partir de funciones de Wannier localizadas obtenidas de cálculos de teoría del funcional de la densidad. Los circuitos usaron un ansatz Local Unitary Cluster Jastrow (LUCJ) de una capa con conectividad entre vecinos más próximos, lo que evita el coste de las puertas SWAP no locales. Para esquivar las mesetas estériles (barren plateaus), los parámetros del circuito se optimizaron en simulación clásica y después el procesador cuántico se usó solo para muestrear configuraciones electrónicas.
Los experimentos se ejecutaron en el sistema ibm_miami de IBM Quantum. QCR informa de que FeO se modeló con 12 electrones en 16 espín-orbitales (16 qubits), con seis instancias en paralelo repartidas en 96 qubits, y Fe₂O₂ con 24 electrones en 32 espín-orbitales (32 qubits), con tres instancias en paralelo. Las cadenas de bits muestreadas se filtraron por el número correcto de partículas, se ampliaron a través de los elementos no nulos del hamiltoniano y el problema resultante, más pequeño, se diagonalizó de forma clásica.
Según QCR, el VQE sin postprocesado dejó en FeO un error residual de unos 173 meV, por encima del umbral de 43 meV de la precisión química. Con dos capas de conectividad, la SQD recuperó el estado quintete de FeO observado experimentalmente dentro de un subespacio comprimido de 184 determinantes y dio una energía de excitación de unos 2.167 cm⁻¹.
Por qué importa
El FeO en volumen es un material fuertemente correlacionado de manual: QCR señala que la teoría del funcional de la densidad estándar lo predice erróneamente como metálico, aunque es un aislante. El resumen subraya que los materiales basados en hierro son importantes para la geología y la astrofísica y notoriamente difíciles de calcular con ordenadores clásicos. El estudio encaja en una tendencia más amplia: usar los procesadores ruidosos actuales como muestreadores dentro de una cadena mayoritariamente clásica, en lugar de pedirles que realicen todo el cálculo.
Qué vigilar
El trabajo es un preprint y no ha pasado revisión por pares. Las moléculas estudiadas son pequeños sustitutos del objetivo real. QCR indica que los autores esbozan una vía hacia el FeO en volumen y periódico, repartiendo los cálculos de SQD entre puntos del espacio de momentos del cristal, lo que sería la verdadera prueba de si el enfoque escala a sólidos.
Fuentes
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