Лос-Аламос і QC Ware моделюють оксиди заліза діагоналізацією на основі вибірок на обладнанні IBM
Препринт LANL і QC Ware відновлює основні стани моделей FeO і Fe2O2 за допомогою квантової діагоналізації на основі вибірок на ibm_miami, де самого VQE не вистачило.
Цю сторінку перекладено з англійської. Назви компаній і продуктів, а також посилання на джерела залишено без змін. Читати оригінал англійською
Дослідники Los Alamos National Laboratory та компанії QC Ware, що розробляє квантове програмне забезпечення, показали, як гібридний квантово-класичний метод справляється з невеликими моделями оксидів заліза — класу матеріалів, який погано піддається традиційним методам моделювання. У препринті Towards Quantum Computation of Bulk FeO, опублікованому 26 жовтня, шестеро авторів досліджують молекулу FeO та ромбічний димер Fe₂O₂ за допомогою класичної точної діагоналізації, Variational Quantum Eigensolver (VQE) і квантової діагоналізації на основі вибірок (Sample-based Quantum Diagonalization, SQD).
Що оголошено
Серед авторів статті п’ятеро дослідників із Лос-Аламоса та один із QC Ware. Згідно з анотацією, сам VQE не досяг хімічної точності для основного стану жодної з двох молекул. Натомість SQD із двома «оболонками зв’язності» відновила точну енергію основного стану обох, використавши, за словами авторів, напрочуд мало квантових обчислювальних ресурсів. Метод відтворив відомий з експерименту квінтетний основний стан FeO і знайшов нонетний основний стан Fe₂O₂.
Технічні подробиці
Quantum Computing Report описує процедуру. Команда побудувала багатоорбітальні гамільтоніани сильного зв’язку d–p на основі локалізованих функцій Ваньє, отриманих із розрахунків за теорією функціонала густини. У схемах використано одношаровий анзац Local Unitary Cluster Jastrow (LUCJ) зі зв’язністю між найближчими сусідами, що позбавляє накладних витрат на нелокальні вентилі SWAP. Щоб обійти «безплідні плато» (barren plateaus), параметри схем оптимізували в класичній симуляції, а квантовий процесор потім використовували лише для вибірки електронних конфігурацій.
Експерименти проводили на системі ibm_miami від IBM Quantum. За даними QCR, FeO моделювали 12 електронами на 16 спін-орбіталях (16 кубітів) із шістьма паралельними екземплярами на 96 кубітах, а Fe₂O₂ — 24 електронами на 32 спін-орбіталях (32 кубіти) з трьома паралельними екземплярами. Отримані бітові рядки фільтрували за правильною кількістю частинок, розширювали через ненульові елементи гамільтоніана, а меншу задачу, що утворилася, діагоналізували класично.
За даними QCR, «сирий» VQE залишав для FeO залишкову похибку близько 173 меВ — вище за поріг хімічної точності 43 меВ. Із двома оболонками зв’язності SQD відновила спостережуваний в експерименті квінтетний стан FeO в стиснутому підпросторі зі 184 детермінантів і дала енергію збудження близько 2167 см⁻¹.
Чому це важливо
Об’ємний FeO — хрестоматійний приклад сильно корельованого матеріалу: QCR зазначає, що стандартна теорія функціонала густини помилково передбачає його металевим, хоча він є ізолятором. В анотації підкреслено, що матеріали на основі заліза важливі для геології та астрофізики й відомі складністю класичних розрахунків. Робота вписується в ширшу тенденцію: використовувати нинішні шумні процесори як генератори вибірок усередині переважно класичного конвеєра, а не доручати їм увесь розрахунок.
На що зважати
Робота є препринтом і не пройшла рецензування. Досліджені молекули — лише невеликі замінники справжньої мети. За даними QCR, автори окреслюють шлях до періодичного об’ємного FeO шляхом розподілу розрахунків SQD між точками простору імпульсів кристала; саме це стане справжньою перевіркою того, чи масштабується підхід на тверді тіла.
Джерела
Факти на цій сторінці наведено за джерелами нижче, зібраними DesignQuantum.