Los Alamos i QC Ware modelują tlenki żelaza diagonalizacją opartą na próbkach na sprzęcie IBM
Preprint LANL i QC Ware odtwarza stany podstawowe modeli FeO i Fe2O2 za pomocą kwantowej diagonalizacji opartej na próbkach na ibm_miami, gdzie sam VQE zawodził.
Ta strona została przetłumaczona z angielskiego. Nazwy firm i produktów oraz linki do źródeł pozostają bez zmian. Przeczytaj oryginał po angielsku
Badacze z Los Alamos National Laboratory i firmy QC Ware, tworzącej oprogramowanie kwantowe, pokazali, jak hybrydowa metoda kwantowo-klasyczna radzi sobie z małymi modelami tlenków żelaza – klasy materiałów, z którą konwencjonalne metody symulacji mają kłopot. W preprincie zatytułowanym Towards Quantum Computation of Bulk FeO, opublikowanym 26 października, sześciu autorów bada cząsteczkę FeO i rombowy dimer Fe₂O₂ przy użyciu klasycznej dokładnej diagonalizacji, Variational Quantum Eigensolver (VQE) oraz kwantowej diagonalizacji opartej na próbkach (Sample-based Quantum Diagonalization, SQD).
Co ogłoszono
Wśród autorów jest pięciu badaczy z Los Alamos i jeden z QC Ware. Według streszczenia sam VQE nie osiągnął dokładności chemicznej dla stanu podstawowego żadnej z cząsteczek. Natomiast SQD z dwiema „powłokami łączności” odtworzyła dokładną energię stanu podstawowego obu cząsteczek, wykorzystując – jak piszą autorzy – niezwykle mało zasobów obliczeń kwantowych. Metoda odtworzyła znany z eksperymentów kwintetowy stan podstawowy FeO i wskazała nonetowy stan podstawowy Fe₂O₂.
Szczegóły techniczne
Quantum Computing Report opisuje przebieg prac. Zespół zbudował wieloorbitalne hamiltoniany ciasnego wiązania d–p na podstawie zlokalizowanych funkcji Wanniera uzyskanych z obliczeń teorii funkcjonału gęstości. Obwody wykorzystywały jednowarstwowy ansatz Local Unitary Cluster Jastrow (LUCJ) z łącznością najbliższych sąsiadów, co eliminuje narzut nielokalnych bramek SWAP. Aby ominąć jałowe płaskowyże (barren plateaus), parametry obwodów optymalizowano w klasycznej symulacji, a procesor kwantowy służył następnie wyłącznie do próbkowania konfiguracji elektronowych.
Eksperymenty przeprowadzono na systemie ibm_miami IBM Quantum. Według QCR FeO modelowano za pomocą 12 elektronów na 16 spinorbitalach (16 kubitów), z sześcioma równoległymi instancjami na 96 kubitach, a Fe₂O₂ za pomocą 24 elektronów na 32 spinorbitalach (32 kubity), z trzema równoległymi instancjami. Zmierzone ciągi bitów filtrowano pod kątem właściwej liczby cząstek, rozszerzano przez niezerowe elementy hamiltonianu, a powstały mniejszy problem diagonalizowano klasycznie.
Według QCR surowy VQE pozostawiał dla FeO błąd resztkowy ok. 173 meV, powyżej progu 43 meV dla dokładności chemicznej. Przy dwóch powłokach łączności SQD odtworzyła obserwowany eksperymentalnie stan kwintetowy FeO w skompresowanej podprzestrzeni 184 wyznaczników i dała energię wzbudzenia ok. 2167 cm⁻¹.
Dlaczego to ważne
Lity FeO to podręcznikowy przykład materiału silnie skorelowanego: QCR zauważa, że standardowa teoria funkcjonału gęstości błędnie przewiduje dla niego charakter metaliczny, choć jest izolatorem. Streszczenie podkreśla, że materiały na bazie żelaza są ważne dla geologii i astrofizyki i wyjątkowo trudne do obliczenia klasycznie. Badanie wpisuje się w szerszy trend wykorzystywania dzisiejszych zaszumionych procesorów jako próbników w głównie klasycznym potoku obliczeń, zamiast powierzać im całe obliczenie.
Na co zwrócić uwagę
Praca jest preprintem i nie przeszła recenzji. Badane cząsteczki to jedynie małe zamienniki rzeczywistego celu. Według QCR autorzy szkicują drogę do periodycznego, litego FeO poprzez rozłożenie obliczeń SQD na punkty przestrzeni pędów kryształu – to byłby prawdziwy test, czy podejście skaluje się do ciał stałych.
Źródła
Fakty na tej stronie pochodzą z poniższych źródeł, zebranych przez DesignQuantum.