洛斯阿拉莫斯与 QC Ware 在 IBM 硬件上用基于采样的对角化方法模拟铁氧化物
LANL 与 QC Ware 的预印本在 ibm_miami 上用基于采样的量子对角化求得 FeO 和 Fe2O2 模型的基态，而仅靠 VQE 无法做到。
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Los Alamos National Laboratory 与量子软件公司 QC Ware 的研究人员展示了一种量子-经典混合方法如何处理铁氧化物的小型模型——这类材料很难用传统模拟方法建模。在 10 月 26 日发布的预印本 Towards Quantum Computation of Bulk FeO 中，六位作者使用经典精确对角化、Variational Quantum Eigensolver（VQE）和基于采样的量子对角化（Sample-based Quantum Diagonalization，SQD）研究了 FeO 分子和菱形 Fe₂O₂ 二聚体。
发布内容
论文作者中有五位来自洛斯阿拉莫斯，一位来自 QC Ware。摘要称，仅用 VQE 无法让两种分子的基态达到化学精度。相比之下，采用两层“连接壳层”的 SQD 求得了二者的精确基态能量，而作者称所用量子计算资源少得惊人。该方法重现了实验已知的 FeO 五重态基态，并得出 Fe₂O₂ 的基态为九重态。
技术细节
Quantum Computing Report 介绍了工作流程。团队基于密度泛函理论计算得到的局域化 Wannier 函数，构建了多轨道 d–p 紧束缚哈密顿量。线路采用仅含最近邻连接的单层 Local Unitary Cluster Jastrow（LUCJ）拟设，从而避免了非局域 SWAP 门的开销。为规避“贫瘠高原”（barren plateaus），线路参数先在经典模拟中优化，随后量子处理器只用于对电子组态进行采样。
实验在 IBM Quantum 的 ibm_miami 系统上运行。据 QCR 介绍，FeO 采用 16 个自旋轨道中的 12 个电子（16 个量子比特）建模，六个实例并行运行，共占用 96 个量子比特；Fe₂O₂ 采用 32 个自旋轨道中的 24 个电子（32 个量子比特），三个实例并行运行。得到的比特串先按正确的粒子数筛选，再通过哈密顿量的非零矩阵元扩展，最后将得到的较小问题用经典方法对角化。
据 QCR 报道，原始 VQE 对 FeO 留下约 173 meV 的持续误差，高于 43 meV 的化学精度阈值。采用两层连接壳层后，SQD 在仅含 184 个行列式的压缩子空间中得到了实验观测到的 FeO 五重态，激发能约为 2167 cm⁻¹。
为何重要
块体 FeO 是强关联材料的教科书式例子：QCR 指出，标准密度泛函理论会错误地预测它是金属，而它实际上是绝缘体。摘要强调，铁基材料对地质学和天体物理学十分重要，且以难以用经典方法计算著称。这项工作也契合一个更广泛的趋势：把当今含噪声的处理器用作以经典计算为主的流程中的采样器，而不是让它承担全部计算。
值得关注
该工作为预印本，尚未经过同行评审。所研究的分子只是真正目标的小型替代体系。据 QCR 介绍，作者提出了通向周期性块体 FeO 的路线，即把 SQD 计算分配到晶体动量空间中的各个点上；这将是检验该方法能否扩展到固体的真正考验。
来源
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