Los Alamos e QC Ware modellano ossidi di ferro con la diagonalizzazione basata su campioni su hardware IBM
Un preprint LANL–QC Ware ricava gli stati fondamentali di modelli di FeO e Fe2O2 con la diagonalizzazione quantistica basata su campioni su ibm_miami, dove il solo VQE non bastava.
Questa pagina è stata tradotta dall'inglese. I nomi di aziende e prodotti e i link alle fonti restano invariati. Leggi l'originale in inglese
Ricercatori del Los Alamos National Laboratory e della società di software quantistico QC Ware hanno mostrato come un metodo ibrido quantistico-classico possa affrontare piccoli modelli di ossidi di ferro, una classe di materiali con cui i metodi di simulazione convenzionali faticano. In un preprint intitolato Towards Quantum Computation of Bulk FeO, pubblicato il 26 ottobre, i sei autori studiano la molecola FeO e il dimero rombico Fe₂O₂ con diagonalizzazione esatta classica, il Variational Quantum Eigensolver (VQE) e la diagonalizzazione quantistica basata su campioni (Sample-based Quantum Diagonalization, SQD).
Che cosa è stato annunciato
Tra gli autori figurano cinque ricercatori di Los Alamos e uno di QC Ware. Secondo l’abstract, il solo VQE non ha raggiunto l’accuratezza chimica per lo stato fondamentale di nessuna delle due molecole. La SQD con due «gusci di connettività» ha invece recuperato l’energia esatta dello stato fondamentale di entrambe usando, nelle parole degli autori, risorse di calcolo quantistico notevolmente ridotte. Il metodo ha riprodotto lo stato fondamentale di quintetto di FeO noto sperimentalmente e ha trovato uno stato fondamentale di nonetto per Fe₂O₂.
I dettagli tecnici
Quantum Computing Report descrive il flusso di lavoro. Il gruppo ha costruito hamiltoniane tight-binding d–p multiorbitali a partire da funzioni di Wannier localizzate ottenute da calcoli di teoria del funzionale della densità. I circuiti usavano un ansatz Local Unitary Cluster Jastrow (LUCJ) a un solo strato con connettività tra primi vicini, evitando il costo delle porte SWAP non locali. Per aggirare i barren plateau, i parametri dei circuiti sono stati ottimizzati in simulazione classica e il processore quantistico è stato poi usato solo per campionare configurazioni elettroniche.
Gli esperimenti sono stati eseguiti sul sistema ibm_miami di IBM Quantum. QCR riferisce che FeO è stato modellato con 12 elettroni in 16 spin-orbitali (16 qubit), con sei istanze in parallelo su 96 qubit, e Fe₂O₂ con 24 elettroni in 32 spin-orbitali (32 qubit), con tre istanze in parallelo. Le stringhe di bit campionate sono state filtrate in base al numero corretto di particelle, estese attraverso gli elementi non nulli dell’hamiltoniana, e il problema ridotto risultante è stato diagonalizzato in modo classico.
Secondo QCR, il VQE grezzo lasciava su FeO un errore residuo di circa 173 meV, oltre la soglia di 43 meV dell’accuratezza chimica. Con due gusci di connettività, la SQD ha recuperato lo stato di quintetto di FeO osservato sperimentalmente in un sottospazio compresso di 184 determinanti e ha fornito un’energia di eccitazione di circa 2.167 cm⁻¹.
Perché è importante
Il FeO massivo è un caso da manuale di materiale fortemente correlato: QCR osserva che la teoria del funzionale della densità standard lo prevede erroneamente metallico, mentre è un isolante. L’abstract sottolinea che i materiali a base di ferro sono importanti per la geologia e l’astrofisica e notoriamente difficili da calcolare con i computer classici. Lo studio rientra in una tendenza più ampia: usare gli attuali processori rumorosi come campionatori all’interno di una pipeline in gran parte classica, invece di affidare loro l’intero calcolo.
Cosa osservare
Il lavoro è un preprint e non è stato sottoposto a revisione paritaria. Le molecole studiate sono piccoli sostituti del vero obiettivo. QCR riferisce che gli autori delineano un percorso verso il FeO massivo e periodico, distribuendo i calcoli SQD su punti dello spazio dei momenti del cristallo: sarebbe questa la vera prova della scalabilità dell’approccio ai solidi.
Fonti
I fatti riportati in questa pagina provengono dalle fonti sotto indicate, raccolte da DesignQuantum.