Половина кубитов, та же точность: квантовая химия шагает вперед

1770321165
2026-02-05 19:05:00

Ученые решают задачу выполнения точных квантово-химических расчетов на современных ограниченных квантовых компьютерах. Шейн Макфартинг, Эйдан Пеллоу-Джарман и Франческо Петруччионе из Qunova Computing Inc и Университета Стелленбоша представляют новый метод под названием HSQD, который значительно уменьшает количество кубитов, необходимых для такого моделирования. Их исследование представляет полукубитовый подход к квантовой диагонализации на основе выборки, вдвое уменьшая требования к кубитам и сложность схемы, тем самым смягчая влияние аппаратного шума. Демонстрируя это на таких системах, как молекулы азота и кластеры железо-сера, достигая активных пространств до (54e, 36o), команда показывает, что HSQD не только соответствует точности существующих методов, но также существенно снижает ошибки и требования к измерениям, открывая путь для более эффективного и практичного квантового моделирования сложных химических систем.

Этот прорыв, получивший название «Выборочная квантовая диагонализация полукубита» (HSQD), решает фундаментальную задачу в этой области: экспоненциальное масштабирование вычислительных затрат с учетом молекулярной сложности.

Примечательно, что этот расширенный метод генерирует подпространства на 39% меньшие, чем те, которые получены с помощью классического HCI, демонстрируя заметное улучшение компактности представления основного состояния. Затем масштабируемость HCI-HSQD была продемонстрирована с использованием кластеров железо-сера, успешно достигая активных пространств размером до (54e, 36o), сохраняя при этом преимущество в полкубита над исходным SQD.

Моделирование полукубитов и взаимодействие конфигураций тепловой ванны для эффективного моделирования диссоциации азота дают многообещающие результаты.

72-кубитный сверхпроводниковый процессор не использовался; вместо этого исследование представило полукубитный SQD, или HSQD, новый подход, который снижает требования к кубитам для моделирования химических систем и глубины схемы. HSQD был реализован путем моделирования диссоциации молекулы азота с использованием активного пространства (10e, 26o), что позволило достичь точности, сравнимой со стандартной SQD, но с половиной кубитов и сокращением измерений на 40%.

Такое сокращение количества кубитов и измерений напрямую устраняет ограничения шумных квантовых устройств промежуточного масштаба. Дальнейшее усовершенствование произошло с HCI-HSQD, который включает в себя отбор образцов, основанный на взаимодействии конфигурации тепловой ванны. Этот процесс отбора обеспечил точность субмиллихартри по всей поверхности потенциальной энергии N2, продемонстрировав улучшенную точность представления основного состояния.

Важно отметить, что HCI-HSQD генерировал подпространства на 39% меньше, чем те, которые были получены с использованием классического HCI, что указывает на более компактное и эффективное представление квантового состояния. Затем была продемонстрирована масштабируемость с использованием железо-серных кластеров, расширяющих активные пространства до (54e, 36o), сохраняя при этом вдвое меньшее количество кубитов по сравнению с исходным SQD.

Для [2Fe-2S] и [4Fe-4S] системах HCI-HSQD снизил энергетические ошибки SQD до 76% и 26% соответственно, наряду с дальнейшим уменьшением размеров подпространства и количества измерений. Команда переназначила операторы кластера с противоположным спином в схеме LUCJ на операторы с тем же спином, представленные как exp(i Jμ(αβ→αα)), используя параметризованные однокубитные и управляемые вентили для достижения этого полукубитного представления. Это инновационное переназначение схемы имеет решающее значение для эффективности использования ресурсов метода HSQD.

Моделирование полукубитов обеспечивает химическую точность и масштабируемость благодаря компактному представлению состояний соответствующих молекулярных систем.

Исследователи представляют новый подход полукубитной SQD (HSQD), который вдвое снижает потребность в кубитах для моделирования химических систем и значительно уменьшает глубину схемы и количество вентилей. При моделировании диссоциации молекулы азота с активным пространством (10e, 26o) HSQD достиг точности, соответствующей стандартной SQD, но используя вдвое меньше кубитов и требуя на 40% меньше измерений.

Дальнейшее усовершенствование с помощью взаимодействия конфигурации тепловой ванны (HCI), вдохновленное отбором образцов, названное HCI-HSQD, привело к точности субмиллихартри по всей поверхности потенциальной энергии N2. В частности, HCI-HSQD создавал подпространства на 39% меньше, чем те, которые были получены с помощью классического HCI, демонстрируя заметное улучшение компактности представления основного состояния.

Затем масштабируемость HCI-HSQD была продемонстрирована с использованием кластеров железо-сера, достигая активных пространств до (54e, 36o), сохраняя при этом преимущество полукубита над исходным методом SQD. Для этих систем HCI-HSQD снизил энергетические ошибки SQD до 76% для [2Fe-2S] и 26% для [4Fe-4S]. Более того, HCI-HSQD не только уменьшил энергетические ошибки, но также уменьшил размеры подпространства и вдвое сократил требования к измерениям, одновременно устраняя дорогостоящие этапы постобработки.

Компактное квантовое моделирование с помощью диагонализации полукубитовых образцов и выбора тепловой ванны открывает многообещающий путь вперед.

Исследователи разработали подход квантовой диагонализации на основе полукубитовой выборки (HSQD), который значительно сокращает вычислительные ресурсы, необходимые для точного квантово-химического моделирования на шумных квантовых устройствах промежуточного масштаба (NISQ). Этот новый метод вдвое снижает потребность в кубитах и глубину схемы по сравнению с обычным SQD, тем самым подавляя аппаратный шум и повышая точность моделирования.

Дальнейшее усовершенствование с помощью отбора образцов, основанного на взаимодействии конфигурации тепловой ванны (HCI), получившего название HCI-HSQD, дает еще более компактные и точные представления основного состояния. Демонстрируя эффективность HCI-HSQD, команда достигла точности субмиллихартри на поверхности потенциальной энергии молекул азота с подпространствами на 39% меньшими, чем те, которые были получены с использованием классического HCI.

Масштабируемость была дополнительно подтверждена посредством моделирования кластеров железа и серы, достигающих активных пространств до (54e, 36o) при сохранении уменьшенного количества кубитов. Примечательно, что HCI-HSQD уменьшил энергетические ошибки в [2Fe-2S] и [4Fe-4S] систем на 76% и 26% соответственно, наряду с сокращением вдвое требований к измерениям и минимизацией требований к постобработке.

Авторы признают, что достижение квантового преимущества во многом зависит от эффективной выборки электронной волновой функции основного состояния — процесса, которому препятствуют декогеренция кубита и шум затвора. Хотя методы восстановления конфигурации предлагают частичное смягчение последствий, они не могут полностью устранить неэффективность выборки.

#Половина #кубитов #та #же #точность #квантовая #химия #шагает #вперед