Los Alamos e QC Ware usam diagonalização baseada em amostras em hardware da IBM para modelar óxidos de ferro
Preprint de LANL e QC Ware recupera os estados fundamentais de modelos de FeO e Fe2O2 com diagonalização quântica baseada em amostras no ibm_miami, onde o VQE puro falhou.
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Pesquisadores do Los Alamos National Laboratory e da empresa de software quântico QC Ware mostraram como um método híbrido quântico-clássico pode lidar com modelos pequenos de óxidos de ferro, uma classe de materiais com a qual os métodos convencionais de simulação têm dificuldade. Em um preprint intitulado Towards Quantum Computation of Bulk FeO, publicado em 26 de outubro, os seis autores estudam a molécula de FeO e o dímero rômbico Fe₂O₂ usando diagonalização exata clássica, o Variational Quantum Eigensolver (VQE) e a diagonalização quântica baseada em amostras (Sample-based Quantum Diagonalization, SQD).
O que foi anunciado
A lista de autores do artigo inclui cinco pesquisadores de Los Alamos e um da QC Ware. Segundo o resumo, o VQE puro não atingiu precisão química para o estado fundamental de nenhuma das duas moléculas. Já a SQD com duas “camadas de conectividade” recuperou a energia exata do estado fundamental de ambas usando, nas palavras dos autores, notavelmente poucos recursos de computação quântica. O método reproduziu o estado fundamental quinteto do FeO conhecido experimentalmente e encontrou um estado fundamental noneto para o Fe₂O₂.
Os detalhes técnicos
O Quantum Computing Report descreve o fluxo de trabalho. A equipe construiu hamiltonianos tight-binding d–p multiorbitais a partir de funções de Wannier localizadas obtidas de cálculos de teoria do funcional da densidade. Os circuitos usaram um ansatz Local Unitary Cluster Jastrow (LUCJ) de uma camada com conectividade entre vizinhos próximos, evitando o custo de portas SWAP não locais. Para contornar os platôs estéreis (barren plateaus), os parâmetros do circuito foram otimizados em simulação clássica, e o processador quântico foi usado apenas para amostrar configurações eletrônicas.
Os experimentos rodaram no sistema ibm_miami da IBM Quantum. O QCR relata que o FeO foi modelado com 12 elétrons em 16 spin-orbitais (16 qubits), com seis instâncias em paralelo distribuídas em 96 qubits, e o Fe₂O₂ com 24 elétrons em 32 spin-orbitais (32 qubits), com três instâncias em paralelo. As cadeias de bits amostradas foram filtradas pelo número correto de partículas, expandidas pelos elementos não nulos do hamiltoniano, e o problema menor resultante foi diagonalizado classicamente.
Segundo o QCR, o VQE bruto deixou no FeO um erro residual de cerca de 173 meV, acima do limite de 43 meV da precisão química. Com duas camadas de conectividade, a SQD recuperou o estado quinteto do FeO observado experimentalmente dentro de um subespaço comprimido de 184 determinantes e forneceu uma energia de excitação de cerca de 2.167 cm⁻¹.
Por que isso importa
O FeO em volume é um material fortemente correlacionado clássico: o QCR observa que a teoria do funcional da densidade padrão o prevê, erroneamente, como metálico, embora seja um isolante. O resumo destaca que materiais à base de ferro são importantes para a geologia e a astrofísica e notoriamente difíceis de calcular em computadores clássicos. O estudo se encaixa em uma tendência mais ampla de usar os processadores ruidosos atuais como amostradores dentro de um pipeline majoritariamente clássico, em vez de pedir que façam todo o cálculo.
O que observar
O trabalho é um preprint e não passou por revisão por pares. As moléculas estudadas são pequenos substitutos do alvo real. O QCR diz que os autores esboçam um caminho até o FeO em volume e periódico, distribuindo os cálculos de SQD entre pontos do espaço de momentos do cristal, o que seria o verdadeiro teste de se a abordagem escala para sólidos.
Fontes
Os fatos desta página vêm das fontes abaixo, reunidas pela DesignQuantum.