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SQD ricostruisce gli stati fondamentali del modello FeO a partire da campioni IBM Quantum
Un preprint riferisce che la diagonalizzazione quantistica basata su campioni ha ricostruito le energie dello stato fondamentale di due modelli molecolari di ossidi di ferro usando campioni ottenuti con hardware IBM Quantum. Per FeO, il met
Quantum.world Team · Scritto con l’IA · verificato ·
Un preprint pubblicato su arXiv il 26 ottobre riferisce che la diagonalizzazione quantistica basata su campioni (SQD) ha ricostruito le energie dello stato fondamentale di due modelli molecolari di ossidi di ferro usando campioni ottenuti con hardware IBM Quantum. I ricercatori hanno usato il processore per identificare configurazioni elettroniche, poi hanno ampliato questi insiemi sfruttando la connettività dell’Hamiltoniana e hanno diagonalizzato classicamente i sottospazi risultanti. Per il monossido di ferro, FeO, il risultato ha raggiunto un accordo con l’energia fondamentale del modello entro la precisione macchina, usando 184 determinanti. Il lavoro mette alla prova un possibile percorso verso il calcolo degli ossidi di ferro correlati; non simula il FeO massivo in sé.
Campioni dall’hardware IBM; l’elaborazione classica ricostruisce le energie
Lo studio, «Towards Quantum Computation of Bulk FeO», è firmato da Daniel Staros, Federico Petrovich, Ammar Kirmani, Daniel N. Blaschke, M. Cerezo e Jian-Xin Zhu. Gli autori hanno costruito modelli a bassa energia per FeO e Fe₂O₂ rombico a partire da dati sugli orbitali ottenuti con il supporto della teoria del funzionale della densità. Il modello di FeO contiene 12 elettroni in 16 spin-orbitali; quello di Fe₂O₂ ne contiene 24 in 32 spin-orbitali.
Hanno ottimizzato circuiti Local Unitary Cluster Jastrow a un singolo strato in simulazioni classiche prive di rumore, poi hanno eseguito i circuiti così fissati sul processore ibm_miami di IBM per raccogliere campioni dei numeri di occupazione. L’hardware non ha eseguito l’ottimizzazione e i ricercatori non hanno aggiornato i parametri dei circuiti sul processore. Hanno invece usato le stringhe di bit misurate come guida per individuare le configurazioni elettroniche da esaminare con un calcolo classico.
«Sebbene il VQE nella sua forma grezza non raggiunga l’accuratezza chimica per lo stato fondamentale di FeO o Fe₂O₂, SQD con due gusci di connettività ricostruisce l’energia fondamentale esatta di entrambe le molecole utilizzando una quantità sorprendentemente ridotta di risorse di calcolo quantistico.»
Daniel Staros e gli altri autori dell’articolo scrivono in «Towards Quantum Computation of Bulk FeO»
FeO raggiunge la precisione macchina con 184 determinanti
Per FeO, il miglior stato ottenuto con il risolutore quantistico variazionale di autovalori (VQE) è rimasto 0,173 elettronvolt al di sopra dell’energia dello stato fondamentale del modello. Aveva però un peso del 99,1% nel sottospazio fondamentale, concentrando i campioni su configurazioni utili per la fase successiva. L’aggiunta di un guscio di configurazioni collegate da elementi non nulli della matrice hamiltoniana ha ridotto nettamente l’errore; con due gusci è stato ricostruito il doppietto dello stato fondamentale con residui entro la precisione macchina, in 184 determinanti.
Lo stato fondamentale di FeO nel modello è una coppia di stati di quintetto con polarizzazione opposta, coerente con il magnetismo dello stato fondamentale di FeO gassoso misurato sperimentalmente. La sua prima energia di eccitazione è di 2.167 cm⁻¹, più vicina al valore sperimentale di circa 4.000 cm⁻¹ rispetto alle precedenti stime di chimica quantistica di 300 cm⁻¹. Il confronto si basa su un risultato del modello a bassa energia, non su una misura effettuata dal processore quantistico.
Fe₂O₂ rivela un limite alla compressione
Anche il calcolo più ampio per Fe₂O₂ ha raggiunto l’accuratezza chimica, ma il suo sottospazio a due gusci rappresentava già circa l’85% del settore di spin rilevante al punto di campionamento più piccolo. L’articolo avverte che i piccolissimi errori ottenuti con un numero maggiore di campioni riflettono quindi la convergenza verso una diagonalizzazione classica completa, non una forte compressione. Un’espansione a un solo guscio offre un risultato intermedio più compatto, raggiungendo l’accuratezza chimica pur mantenendo soltanto una parte del settore dei determinanti.
Il modello di Fe₂O₂ prevede inoltre uno stato fondamentale magnetico di nonetto, a differenza del settetto riportato in precedenti lavori di chimica quantistica ad alta accuratezza. Gli autori richiamano l’attenzione sui parametri di interazione del loro modello: i valori della repulsione coulombiana e dello scambio di Hund non sono stati ottimizzati dai principi primi specificamente per Fe₂O₂. Questa discrepanza rende il risultato un avvertimento contro l’interpretazione dell’accordo sulle energie come prova che il modello abbia identificato lo stato magnetico fisico della molecola.
Il FeO massivo resta il prossimo calcolo
L’esperimento condotto nello studio sull’hardware è un benchmark molecolare realizzato per orientare i lavori successivi sul solido. L’articolo riferisce che sei circuiti FeO da 16 qubit sono stati eseguiti in parallelo su regioni disgiunte di ibm_miami, usando 96 qubit fisici e producendo 120.000 stringhe di bit molecolari da 20.000 esecuzioni. Per Fe₂O₂, tre circuiti da 32 qubit sono stati eseguiti simultaneamente usando 96 qubit fisici; il dataset di campionamento riportato contiene 2,7 milioni di campioni molecolari per campionatore.
L’applicazione del metodo su scala più ampia al FeO periodico comporterebbe un notevole onere di calcolo classico. Gli autori individuano nella diagonalizzazione esatta dell’Hamiltoniana proiettata il limite principale dell’approccio, dato che gli spazi selezionati crescono man mano che nel modello entrano altri modi per cui è consentito l’hopping. Stimano che un calcolo del materiale massivo potrebbe richiedere l’applicazione di SQD su un numero di punti k che va da centinaia a migliaia, con la simmetria della zona di Brillouin a contribuire alla riduzione del carico di lavoro. Il risultato attuale è più circoscritto: i campioni IBM guidano una ricostruzione classica compatta per FeO, mentre Fe₂O₂ mostra quanto rapidamente questa compattezza possa diminuire.