Лос-Аламос и QC Ware моделируют оксиды железа диагонализацией на основе выборок на оборудовании IBM
Препринт LANL и QC Ware восстанавливает основные состояния моделей FeO и Fe2O2 с помощью квантовой диагонализации на основе выборок на ibm_miami, где чистый VQE не справился.
Эта страница переведена с английского. Названия компаний и продуктов, а также ссылки на источники оставлены без изменений. Читать оригинал на английском
Исследователи Los Alamos National Laboratory и компании QC Ware, разрабатывающей квантовое программное обеспечение, показали, как гибридный квантово-классический метод справляется с небольшими моделями оксидов железа — класса материалов, с которым традиционные методы моделирования справляются плохо. В препринте Towards Quantum Computation of Bulk FeO, опубликованном 26 октября, шесть авторов изучают молекулу FeO и ромбический димер Fe₂O₂ с помощью классической точной диагонализации, вариационного квантового алгоритма Variational Quantum Eigensolver (VQE) и квантовой диагонализации на основе выборок (Sample-based Quantum Diagonalization, SQD).
Что объявлено
Среди авторов статьи пятеро исследователей из Лос-Аламоса и один из QC Ware. Согласно аннотации, чистый VQE не достиг химической точности для основного состояния ни одной из двух молекул. А вот SQD с двумя «оболочками связности» восстановила точную энергию основного состояния обеих, используя, по словам авторов, удивительно мало квантовых вычислительных ресурсов. Метод воспроизвёл известное из эксперимента квинтетное основное состояние FeO и нашёл нонетное основное состояние Fe₂O₂.
Технические подробности
Quantum Computing Report описывает процедуру. Команда построила многоорбитальные гамильтонианы сильной связи d–p на основе локализованных функций Ванье, полученных из расчётов по теории функционала плотности. В схемах использовался однослойный анзац Local Unitary Cluster Jastrow (LUCJ) со связностью между ближайшими соседями, что избавляет от накладных расходов на нелокальные вентили SWAP. Чтобы обойти «бесплодные плато» (barren plateaus), параметры схем оптимизировались в классической симуляции, а квантовый процессор затем использовался только для выборки электронных конфигураций.
Эксперименты проводились на системе ibm_miami компании IBM Quantum. По данным QCR, FeO моделировали 12 электронами на 16 спин-орбиталях (16 кубитов) с шестью параллельными экземплярами на 96 кубитах, а Fe₂O₂ — 24 электронами на 32 спин-орбиталях (32 кубита) с тремя параллельными экземплярами. Полученные битовые строки отфильтровывали по правильному числу частиц, расширяли через ненулевые элементы гамильтониана, а получившуюся задачу меньшего размера диагонализировали классически.
По данным QCR, «сырой» VQE оставлял для FeO остаточную ошибку около 173 мэВ — выше порога химической точности в 43 мэВ. С двумя оболочками связности SQD восстановила наблюдаемое в эксперименте квинтетное состояние FeO в сжатом подпространстве из 184 детерминантов и дала энергию возбуждения около 2167 см⁻¹.
Почему это важно
Объёмный FeO — хрестоматийный пример сильно коррелированного материала: QCR отмечает, что стандартная теория функционала плотности ошибочно предсказывает его металлическим, хотя он является изолятором. В аннотации подчёркивается, что материалы на основе железа важны для геологии и астрофизики и печально известны сложностью классических расчётов. Работа вписывается в более широкую тенденцию: использовать нынешние шумные процессоры как генераторы выборок внутри преимущественно классического конвейера, а не поручать им весь расчёт.
За чем следить
Работа представляет собой препринт и не прошла рецензирование. Изученные молекулы — лишь небольшие заменители реальной цели. По данным QCR, авторы намечают путь к периодическому объёмному FeO, распределяя расчёты SQD по точкам пространства импульсов кристалла; именно это станет настоящей проверкой того, масштабируется ли подход на твёрдые тела.
Источники
Факты на этой странице взяты из указанных ниже источников и собраны DesignQuantum.