Los Alamos et QC Ware modélisent des oxydes de fer par diagonalisation à base d’échantillons sur matériel IBM
Une prépublication LANL–QC Ware retrouve les états fondamentaux de modèles de FeO et Fe2O2 par diagonalisation quantique à base d’échantillons sur ibm_miami, là où le VQE seul échouait.
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Des chercheurs du Los Alamos National Laboratory et de l’éditeur de logiciels quantiques QC Ware ont montré comment une méthode hybride quantique-classique peut traiter de petits modèles d’oxydes de fer, une classe de matériaux qui met en difficulté les méthodes de simulation conventionnelles. Dans une prépublication intitulée Towards Quantum Computation of Bulk FeO, mise en ligne le 26 octobre, les six auteurs étudient la molécule FeO et le dimère rhombique Fe₂O₂ par diagonalisation exacte classique, par le Variational Quantum Eigensolver (VQE) et par diagonalisation quantique à base d’échantillons (Sample-based Quantum Diagonalization, SQD).
Ce qui a été annoncé
La liste des auteurs compte cinq chercheurs de Los Alamos et un de QC Ware. Selon le résumé, le VQE seul n’a atteint la précision chimique pour l’état fondamental d’aucune des deux molécules. La SQD avec deux « couches de connectivité » a en revanche retrouvé l’énergie exacte de l’état fondamental des deux, en utilisant, selon les auteurs, remarquablement peu de ressources de calcul quantique. La méthode a reproduit l’état fondamental quintuplet de FeO connu expérimentalement et trouvé un état fondamental nonuplet pour Fe₂O₂.
Les détails techniques
Quantum Computing Report décrit la chaîne de traitement. L’équipe a construit des hamiltoniens de liaisons fortes d–p multi-orbitaux à partir de fonctions de Wannier localisées issues de calculs de théorie de la fonctionnelle de la densité. Les circuits reposaient sur un ansatz Local Unitary Cluster Jastrow (LUCJ) à une couche avec une connectivité entre plus proches voisins, ce qui évite le surcoût des portes SWAP non locales. Pour contourner les plateaux stériles (barren plateaus), les paramètres des circuits ont été optimisés en simulation classique, puis le processeur quantique n’a servi qu’à échantillonner des configurations électroniques.
Les expériences ont tourné sur le système ibm_miami d’IBM Quantum. Selon QCR, FeO a été modélisé avec 12 électrons dans 16 spin-orbitales (16 qubits), avec six instances en parallèle sur 96 qubits, et Fe₂O₂ avec 24 électrons dans 32 spin-orbitales (32 qubits), avec trois instances en parallèle. Les chaînes de bits échantillonnées ont été filtrées selon le bon nombre de particules, étendues via les éléments non nuls de l’hamiltonien, et le problème réduit qui en résultait a été diagonalisé classiquement.
D’après QCR, le VQE brut laissait sur FeO une erreur résiduelle d’environ 173 meV, au-dessus du seuil de 43 meV de la précision chimique. Avec deux couches de connectivité, la SQD a retrouvé l’état quintuplet de FeO observé expérimentalement dans un sous-espace compressé de 184 déterminants et donné une énergie d’excitation d’environ 2 167 cm⁻¹.
Pourquoi c’est important
Le FeO massif est un cas d’école de matériau fortement corrélé : QCR rappelle que la théorie de la fonctionnelle de la densité standard le prédit à tort métallique, alors qu’il est isolant. Le résumé souligne que les matériaux à base de fer comptent pour la géologie et l’astrophysique et sont notoirement difficiles à calculer sur ordinateur classique. L’étude s’inscrit dans une tendance plus large : utiliser les processeurs bruités actuels comme échantillonneurs au sein d’une chaîne essentiellement classique, plutôt que de leur confier tout le calcul.
Ce qu’il faut surveiller
Il s’agit d’une prépublication non évaluée par les pairs. Les molécules étudiées ne sont que de petits substituts de la cible réelle. QCR indique que les auteurs esquissent une voie vers le FeO massif et périodique en répartissant les calculs SQD sur des points de l’espace des moments du cristal, ce qui constituerait le vrai test de la capacité de l’approche à passer aux solides.
Sources
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