Inteligência de dados generativa

Um algoritmo quântico híbrido para detectar interseções cônicas

Data:

Emiel Koridon1,2, Joana Fraxanet3, Alexandre Delfim3,4, Lucas Vischer2, Thomas E. O'Brien5,1e Stefano Polla5,1

1Instituut-Lorentz, Universiteit Leiden, 2300RA Leiden, Holanda
2Química Teórica, Vrije Universiteit, 1081HV Amsterdã, Holanda
3ICFO – Institut de Ciències Fotòniques, 08860 Castelldefels (Barcelona), Espanha
4PASQAL SAS, 2 av. Augustin Fresnel Palaiseau, 91120, França
5Google Research, Munique, 80636 Baviera, Alemanha

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Sumário

Interseções cônicas são cruzamentos topologicamente protegidos entre as superfícies de energia potencial de um hamiltoniano molecular, conhecido por desempenhar um papel importante em processos químicos como fotoisomerização e relaxamento não radiativo. Eles são caracterizados por uma fase Berry diferente de zero, que é um invariante topológico definido em um caminho fechado no espaço de coordenadas atômicas, assumindo o valor $pi$ quando o caminho circunda a variedade de interseção. Neste trabalho, mostramos que para hamiltonianos moleculares reais, a fase Berry pode ser obtida traçando um ótimo local de um ansatz variacional ao longo do caminho escolhido e estimando a sobreposição entre o estado inicial e final com um teste de Hadamard sem controle. Além disso, ao discretizar o caminho em $N$ pontos, podemos usar $N$ passos únicos de Newton-Raphson para atualizar nosso estado de forma não variacional. Finalmente, como a fase Berry só pode assumir dois valores discretos (0 ou $pi$), nosso procedimento é bem-sucedido mesmo para um erro cumulativo limitado por uma constante; isso nos permite limitar o custo total da amostragem e verificar prontamente o sucesso do procedimento. Demonstramos numericamente a aplicação do nosso algoritmo em pequenos modelos de brinquedo da molécula de formaldimina (${H_2C=NH}$).

Na última década, algoritmos quânticos variacionais (VQAs) têm estado sob os holofotes como um paradigma potencial para lidar com problemas de simulação quântica em computadores quânticos ruidosos de pequena escala. A exigência típica de resultados de alta precisão dificulta fortemente a aplicação desses algoritmos à química computacional. Alcançar essa alta precisão é extremamente caro devido ao custo da amostragem, agravado pela necessidade de mitigação de erros e otimização complexa. Identificamos um problema na química quântica que pode contornar o requisito de alta precisão, projetamos um algoritmo para resolvê-lo e o comparamos em um modelo molecular pequeno.

Em nosso trabalho, desenvolvemos um VQA que detecta a presença de uma interseção cônica rastreando o estado fundamental em torno de um loop no espaço de coordenadas nucleares. As interseções cônicas desempenham um papel fundamental nas reações fotoquímicas, por exemplo, no processo de visão. Identificar a presença de uma intersecção cônica em um modelo molecular pode ser um passo importante na compreensão ou previsão das propriedades fotoquímicas de um sistema.

A pergunta que colocamos tem uma resposta discreta (sim/não); isso aumenta a exigência de alta precisão. Além disso, simplificamos o problema de otimização usando atualizações de custo fixo para rastrear aproximadamente o estado fundamental, até o nível de precisão exigido. Isto permite provar limites no custo do algoritmo, o que é raro no contexto de VQAs.

Realizamos benchmarks numéricos do algoritmo, demonstrando sua resiliência a diferentes níveis de ruído de amostragem. Divulgamos publicamente o código que desenvolvemos para esta tarefa, que inclui uma estrutura para circuitos quânticos otimizados orbitais que suportam diferenciação automática.

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Citado por

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As citações acima são de SAO / NASA ADS (última atualização com êxito 2024-02-20 14:35:39). A lista pode estar incompleta, pois nem todos os editores fornecem dados de citação adequados e completos.

Não foi possível buscar Dados citados por referência cruzada durante a última tentativa 2024-02-20 14:35:38: Não foi possível buscar os dados citados por 10.22331 / q-2024-02-20-1259 do Crossref. Isso é normal se o DOI foi registrado recentemente.

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