HI-VQE Chemistry – Qiskit Function od Qunova Computing

# Added by doQumentation — required packages for this notebook
!pip install -q qiskit-ibm-catalog qiskit-ibm-runtime

# This cell is hidden from users
from qiskit_ibm_runtime import QiskitRuntimeService

service = QiskitRuntimeService()
instance = service.active_account()["instance"]
backend_name = service.least_busy(operational=True, min_num_qubits=16).name

poznámka

Qiskit Functions jsou experimentální funkce dostupné pouze uživatelům plánů IBM Quantum® Premium, Flex a On-Prem (prostřednictvím IBM Quantum Platform API). Jsou ve stavu preview verze a mohou se měnit.

Přehled

V kvantové chemii se problém elektronové struktury zaměřuje na hledání řešení elektronové Schrödingerovy rovnice – kvantových vlnových funkcí popisujících chování elektronů v systému. Tyto vlnové funkce jsou vektory komplexních amplitud, přičemž každá amplituda odpovídá příspěvku jedné možné konfigurace elektronů.

Základní stav je vlnová funkce systému s nejnižší energií a má zvláštní důležitost při studiu molekulárních systémů. Nejpřesnější přístup k výpočtu základního stavu uvažuje všechny možné konfigurace elektronů, ale pro větší systémy se stává nezvládnutelným, protože počet konfigurací roste exponenciálně s velikostí systému.

Handover Iterative Variational Quantum Eigensolver (HI-VQE) je inovativní hybridní kvantově-klasická metoda pro přesný odhad základního stavu molekulárních systémů. Integruje kvantový hardware s klasickými počítači – kvantové procesory efektivně prozkoumávají kandidátní konfigurace elektronů a výsledná vlnová funkce se počítá na klasických počítačích. Díky generování kompaktních, ale chemicky přesných vlnových funkcí HI-VQE podporuje výzkum a objevy v kvantové chemii a vědě o materiálech.

HI-VQE snižuje výpočetní složitost problému elektronové struktury tím, že efektivně odhaduje základní stav s vysokou přesností. Zaměřuje se na pečlivě vybranou podmnožinu nejrelevantnějších konfigurací elektronů, čímž optimalizuje jak přesnost, tak efektivitu.

Kombinací silných stránek klasických i kvantových počítačů HI-VQE iterativně zpřesňuje a vylepšuje aktuální odhad vlnové funkce. Jedinečné techniky konstrukce podprostoru pomáhají zefektivnit výběr konfigurací, takže uživatelé mají větší výpočetní kontrolu a lepší přesnost při simulacích kvantové chemie.

Pokud se chceš dozvědět více o algoritmu do hloubky, můžeš si přečíst příslušný výzkumný článek.

Popis

Počet konfigurací elektronů pro molekulární systém roste exponenciálně s velikostí systému. U určitých elektronových stavů, jako je základní stav, je však běžné, že pouze malá část konfigurací významně přispívá k energii stavu. Metody vybrané konfigurační interakce (SCI) využívají tuto řídkost ke snížení výpočetních nákladů tím, že identifikují a zaměřují se na nejrelevantnější konfigurace. Tato podmnožina konfigurací se označuje jako podprostor.

HI-VQE využívá přirozenou efektivitu kvantových počítačů při reprezentaci molekulárních systémů k usnadnění hledání podprostoru. Integruje klasické a kvantové podrutiny k řešení problému elektronové struktury s vysokou přesností. Na rozdíl od stávajících kvantových SCI metod HI-VQE kombinuje variační trénink, iterativní konstrukci podprostoru a předdiagonalizační filtrování konfigurací, čímž zvyšuje efektivitu snížením počtu kvantových měření, iterací a nákladů na klasickou diagonalizaci. HI-VQE lze proto aplikovat na větší molekulární systémy vyžadující více qubitů a snižuje náklady na řešení problému dané velikosti na stejnou úroveň přesnosti.

Pro výpočet základního stavu systému HI-VQE nejprve použije klasický chemický balíček PySCF k vygenerování molekulární reprezentace ze vstupů zadaných uživatelem, jako je geometrie molekuly a další molekulární informace. Poté vstoupí do hybridní kvantově-klasické optimalizační smyčky, která iterativně zpřesňuje podprostor tak, aby optimálně reprezentoval základní stav a zároveň minimalizoval počet zahrnutých konfigurací. Smyčka pokračuje, dokud nejsou splněna konvergenční kritéria, jako je velikost podprostoru nebo stabilita energie, načež jsou výstupem vypočítaná vlnová funkce základního stavu a energie. Tyto výsledky lze použít ke konstrukci přesných povrchů potenciální energie a k dalšímu rozboru systému.

Optimalizační smyčka se zaměřuje na úpravu parametrů kvantového Circuit tak, aby generoval vysoce kvalitní podprostor. HI-VQE nabízí tři možnosti kvantového Circuit: excitation_preserving, efficient_su2 a LUCJ. Optimalizace je inicializována blízko referenčního stavu Hartree-Fock pro jeho obecnou vhodnost. Circuit je poté spuštěn na kvantovém zařízení a konfigurace jsou vzorkovány z výsledného kvantového stavu a vráceny jako binární řetězce. Kvůli šumu kvantového zařízení mohou být některé vzorkované konfigurace fyzikálně neplatné, pokud nesplňují zachování počtu elektronů nebo spinu. HI-VQE to řeší pomocí procesu obnovy konfigurací z balíčku qiskit-addon-sqd, takže uživatelé mohou neplatné konfigurace buď opravit, nebo je vyřadit.

Platné konfigurace poté procházejí volitelným filtrovacím krokem, který odstraní ty, u nichž se předpokládá minimální příspěvek. Tím se snižuje dimenze podprostoru, a tedy i náklady na krok diagonalizace. Pokud je filtrování povoleno, vytvoří se předběžný subprostorový Hamiltonián z platných konfigurací a provede se diagonalizace s velmi volnými ukončovacími kritérii. Ačkoli je přesnost výsledných amplitud pro každou konfiguraci nízká, je efektivní pro předpovězení, které konfigurace v dané iteraci z podprostoru vyřadit, a je rychlá na výpočet.

Vybrané konfigurace jsou přidány do podprostoru a Hamiltonián systému je promítnut do tohoto podprostoru. Podprostor se iterativně aktualizuje a zachovává nejrelevantnější konfigurace napříč iteracemi. Tento přístup se liší od alternativních metod tím, že kvantový Circuit nemusí v každém kroku aproximovat celý základní stav.

Následně je subprostorový Hamiltonián klasicky diagonalizován, aby bylo získáno nejnižší vlastní číslo a odpovídající vlastní vektor, reprezentující aproximaci základního stavu a jeho energie. Jak se kvalita podprostoru prostřednictvím iterací zlepšuje, vypočítaný základní stav lépe aproximuje skutečný základní stav. V tomto bodě lze provést dodatečný filtrovací krok k odstranění konfigurací z podprostoru, které významně nepřispívají k vypočítanému základnímu stavu. Tento krok zajišťuje, že podprostor přenesený do další iterace je co nejkompaktnější. Je vyhodnocován na základě amplitud vrácených diagonalizací, protože ty reprezentují příspěvek každé konfigurace k vypočítanému základnímu stavu.

Kontrola konvergence pak určí, zda by další trénink zlepšil výsledky. Pokud ano, provede se volitelný krok klasické expanze, parametry kvantového Circuit se aktualizují pro další minimalizaci vypočítané energie a proces se opakuje. Krok klasické expanze generuje další konfigurace pro podprostor, doplňující konfigurace vzorkované z kvantového zařízení. Nejprve identifikuje konfiguraci s největší amplitudou ve výsledcích diagonalizace a poté generuje nové konfigurace s jednoduchými a dvojnásobnými excitacemi z identifikované konfigurace. Požadovaný počet těchto konfigurací je poté přidán do podprostoru.

Jakmile je určeno, že iterace konvergovaly, HI-VQE vrátí vypočítaný základní stav (ve formě stavů v podprostoru a jejich amplitud ve vlnové funkci základního stavu), jeho energii a míru rozptylu energie, která ukazuje, zda vypočítaný stav tvoří vlastní stav Hamiltoniánu systému.

Uživatelé mohou rozhodovat o tom, který kvantový Circuit se použije, a o počtu shotů pro každý kvantový Circuit, a také řídit velikost podprostoru nebo povolit klasické generování dalších konfigurací na podporu konfigurací generovaných kvantově. Tímto způsobem mohou uživatelé přizpůsobit chování HI-VQE svým požadovaným aplikacím.

Začínáme

Nejprve si požádej o přístup k funkci. Poté se autentizuj pomocí svého IBM Quantum® API klíče a za předpokladu, že jsi již uložil/a svůj účet do lokálního prostředí, vyber Qiskit Function takto:

import reprlib
from qiskit_ibm_catalog import QiskitFunctionsCatalog

catalog = QiskitFunctionsCatalog(channel="ibm_quantum_platform")

function = catalog.load("qunova/hivqe-chemistry")

Vstupy

Všechny vstupní parametry, které funkce přijímá, jsou uvedeny v následující tabulce. Podrobnosti o příslušných argumentech najdeš v následujících sekcích Možnosti molekuly a Možnosti HI-VQE.

Název	Typ	Popis	Povinný	Výchozí	Příklad
geometry	Union[List[List[Union[str, Tuple[float, float, float]]]], str]	Může jít o řetězec nebo strukturované seznamy obsahující dvojice atomů a souřadnic. Pokud je zadán jako řetězec, musí obsahovat geometrii molekuly ve formátu kartézských souřadnic. Pokud je zadán jako seznam, musí jít o seznam seznamů, z nichž každý obsahuje řetězec atomu a n-tici souřadnic.	Ano	N/A	[['O', (0, 0, 0)], ['H', (0, 1, 0)], ['H', (0, 0, 1)]] nebo "O 0 0 0; H 0 1 0; H 0 0 1"
backend_name	str	Název backendu, na který se dotaz odešle.	Ano	N/A	ibm_fez
max_states	int	Maximální dimenze podprostoru pro diagonalizaci. Pokud zadané číslo není dokonalý čtverec, použije se méně stavů.	Ano	N/A	100
max_expansion_states	int	Maximální počet klasicky generovaných CI stavů zahrnutých do každé iterace.	Ano	N/A	10
molecule_options	dict	Možnosti související s molekulou použitou jako vstup do HI-VQE. Více informací najdeš v sekci Možnosti molekuly.	Ne	Viz sekce Možnosti molekuly.	{"basis": "sto3g", "unit": "angstrom" }
hivqe_options	dict	Možnosti řídící chování algoritmu HI-VQE. Více informací najdeš v sekci Možnosti HI-VQE.	Ne	Viz sekce Možnosti HI-VQE.	{"shots": 10_000, "max_iter": 10 }

Možnosti molekuly

Následující tabulka podrobně popisuje všechny klíče a hodnoty, které lze nastavit ve slovníku molecule_options, včetně jejich datových typů a výchozích hodnot. Všechny klíče jsou volitelné.

Klíč	Typ hodnoty	Výchozí hodnota	Platný rozsah	Vysvětlení
"charge"	int	0	Různé	Celé číslo udávající celkový čistý náboj molekulárního systému. Výchozí hodnota je 0, ale může to být libovolné celé číslo.
"basis"	str	'sto-3g'	Různé	Řetězec určující typ báze; tyto hodnoty se předávají pyscf. (např.: "sto-3g", "3-21g", "6-31g", "cc-pvdz")
"active_orbitals"	List[int]	Každý index orbitalu.	Indexy prostorových orbitalů platné pro daný problém.	Seznam indexů aktivních orbitalů v intervalu [0, n), kde n je počet qubitů použitých v problému. Pokud je tento parametr zadán, musí být zadán také argument frozen_orbitals.
"frozen_orbitals"	List[int]	Žádné indexy.	Indexy prostorových orbitalů platné pro daný problém, kromě aktivních orbitalů.	Seznam indexů zmrazených orbitalů ve stejném rozsahu jako active_orbitals. Pokud je zadán, musí být zadán také active_orbitals. Zmrazovat by se měly pouze obsazené orbitaly, protože počet aktivních elektronů se snižuje o 2 pro každý zmrazený obsazený orbital.
"orbital_coeffs"	List[List[float]]	Molekulární orbitaly Hartree-Fock.	Různé.	Koeficienty prostorových orbitalů použité při výpočtu integrálů elektronické repulze pro systém. Platnými příklady jsou molekulární orbitaly Hartree-Fock, přirozené orbitaly a orbitaly AVAS.
"symmetry"	Union[str, bool]	False	True nebo False	Slouží k aktivaci symetrie bodové grupy pro úvodní molekulární výpočty za účelem sestavení báze orbitálů adaptované na symetrii. Tyto orbitaly adaptované na symetrii se používají jako bázové funkce pro následné výpočty SCF. Výchozí hodnota je False; pokud je nastavena na True, symetrie se aktivuje a bodové grupy se detekují a použijí automaticky. Pokud je přiřazena konkrétní symetrie, např. symmetry = "Dooh", vyvolá se chyba, pokud molekulární geometrie dané symetrii neodpovídá.
"symmetry_subgroup"	Optional[str]	None	Viz dokumentace pyscf.	Lze použít ke generování podgrupy detekované symetrie. Nemá žádný účinek, pokud je symetrie zadána pomocí klíčového argumentu symmetry.
"unit"	str	"angstrom"	Viz dokumentace pyscf.	Určuje měrnou jednotku pro atomové souřadnice a vzdálenosti. Výchozí nastavení používá jednotky angstrom.
"nucmod"	Optional[Union[dict, str]]	None	Viz dokumentace pyscf.	Určuje jaderný model, který se má použít. Výchozí je bodový jaderný model; jiné hodnoty aktivují Gaussovský jaderný model. Pokud je zadána funkce, použije se s Gaussovským jaderným modelem k vygenerování hodnoty rozložení jaderného náboje „zeta".
"pseudo"	Optional[Union[dict, str]]	None	Viz dokumentace pyscf.	Určuje pseudopotenciál pro atomy v molekule. Výchozí hodnota je None, což znamená, že se nepoužívají žádné pseudopotenciály a všechny elektrony jsou explicitně zahrnuty do výpočtů.
"cart"	bool	False	Viz dokumentace pyscf.	Určuje, zda se mají jako bázové funkce pro moment hybnosti ve výpočtu použít kartézské GTO. Výchozí hodnota False bude používat sférické GTO.
"magmom"	Optional[List[Union[int, float]]]	None	Viz dokumentace pyscf.	Nastavuje kolineární spinový magnetický moment každého atomu. Ve výchozím nastavení je None a každý atom je inicializován se spinem nula.
"avas_aolabels"	Optional[List[str]]	None	např. ["H 1s", "O 2p"] pro H2O	Definuje atomové orbitaly, které mají být zahrnuty do schématu AVAS. Viz dokumentace AVAS .
"avas_threshold"	float	0.2	Mezi 0,0 a 2,0	Určuje mezní hodnotu používanou k rozhodnutí, které atomové orbitaly (AO) jsou zachovány v aktivním prostoru.
"noons_level"	Optional[str]	None	"mp2" nebo "ccsd"	Definuje teoretický přístup k přípravě přirozených orbitalů a výběru aktivních orbitalů na základě schématu přirozených čísel obsazení orbitalů (NOONs). Viz dokumentace NOONs. Pro řízení počtu orbitalů (a počtu qubitů) musí být zadány jak indexy aktivních, tak zmrazených orbitalů.

Možnosti HI-VQE

Následující tabulka popisuje všechny klíče a hodnoty, které lze nastavit ve slovníku hivqe_options, spolu s jejich datovými typy a výchozími hodnotami. Všechny klíče jsou volitelné.

Klíč	Typ hodnoty	Výchozí hodnota	Platný rozsah	Vysvětlení
"shots"	int	1_000	Mezi 1 a 10 000.	Počet měření na kvantovém zařízení za každou iteraci.
"max_iter"	int	25	Mezi 1 a 50.	Maximální počet iterací pro optimalizaci ansatzu. Algoritmus může skončit dříve, pokud dojde k předčasné konvergenci.
"initial_basis_states"	List[str]	Stav Hartree-Fock.	Binární řetězce, jejichž počet bitů odpovídá požadovanému počtu qubitů pro daný problém.	Lze použít k restartování algoritmu s klasickými stavy z předchozího výsledku.
"ansatz"	str	"epa"	"epa", "hea" nebo "lucj"	Určuje kvantový ansatz, který se optimalizuje za účelem generování nových stavů. "epa" vybere ansatz zachovávající excitace. "hea" vybere hardwarově efektivní ansatz. "lucj" vybere ansatz lokálního unitárního klastrového Jastrowova přístupu.
"convergence_count"	int	3	Alespoň 2.	Počet iterací bez výrazné změny vypočítané energie, které musí proběhnout, než je algoritmus považován za konvergovaný.
"convergence_abstol"	float	1e-4	Větší než 0 a nejvýše 1.	Velikost změny vypočítané energie, která je považována za výraznou pro účely kontroly konvergence.
"reset_convergence_count"	bool	True	True nebo False	Pokud je True, musí proběhnout convergence_count iterací bez přerušující výrazné změny, aby byl algoritmus vyhodnocen jako konvergující. Pokud je False, algoritmus se zastaví po convergence_count iteracích s nevýraznými změnami, které se vyskytly kdykoliv v průběhu optimalizace.
"configuration_recovery"	bool	True	True nebo False.	Určuje, zda se má použít obnovení konfigurace z balíčku qiskit-addon-sqd. Pokud je True, neplatné stavy vzorkované z kvantového zařízení jsou klasicky opraveny. Pokud je False, jsou zahozeny.
"ansatz_entanglement"	str	"circular"	Libovolná z hodnot "linear", "reverse_linear", "pairwise", "circular", "full" nebo "sca". Při použití ansatzu "lucj" je dostupná i možnost "lucj_default".	Určuje schéma provázání, které má být použito v rámci kvantového obvodu, v souladu s běžnými konvencemi Qiskit a konvencemi ffsim pro ansatz LUCJ.
"ansatz_reps"	int	2	Větší než 0.	Počet opakování každé vrstvy v kvantovém obvodu.
"amplitude_screening_tolerance"	Union[float,int]	0	Alespoň 0 a méně než 1.	Tolerance pro rozhodování, které stavy mají být po diagonalizaci vyřazeny z podprostoru. Určuje práh zahrnutí stavů podprostoru na základě jejich vypočítaných amplitud.
"overlap_screening_tolerance"	float	1e-2	Mezi 1e-4 a 1e-1 včetně.	Tolerance pro předpovídání, které stavy mají být před diagonalizací vyřazeny z podprostoru. Řídí přesnost předpovídaných amplitud pro každý stav; nižší hodnota vede k přesnějším předpovědím.

Výstupy

Funkce vrací slovník se čtyřmi klíči a hodnotami. Klíče a hodnoty jsou zdokumentovány v následující tabulce:

Klíč	Typ hodnoty	Vysvětlení
"energy"	float	Přibližná energie základního stavu molekuly.
"states"	List[str]	Vybrané determinanty tvořící podprostor použitý k výpočtu energie. Jsou ve střídavém formátu alfa-beta.
"eigenvector"	List[float]	Vlastní vektor odpovídající základnímu stavu podprostoru složeného ze stavů "states".
"energy_variance"	float	Energetický rozptyl základního stavu podprostoru složeného ze stavů "states", který udává kvalitu řešení. Tato hodnota je nezáporná a nižší hodnota znamená, že základní stav podprostoru lépe aproximuje vlastní stav Hamiltoniánu systému.
"energy_history"	List[float]	Energie vypočítané v každé iteraci během hybridního optimalizačního procesu, ve stejném pořadí, v jakém byly vypočítány. V rámci optimalizačního procesu SPSA jsou v každé iteraci vypočítány dvě energie.

Příklad

První příklad ukazuje, jak vypočítat energii základního stavu molekuly NH3 pomocí algoritmu HI-VQE.

Definice molekulární geometrie a možností

Molekulární geometrie NH3 je zadána v kartézských souřadnicích, kde jsou atomy odděleny znakem „;".

# Define the molecule geometry
geometry = """
N         -0.85188       -0.02741        0.03141;
H          0.16545        0.00593       -0.01648;
H         -1.16348       -0.39357       -0.86702;
H         -1.16348        0.94228        0.06281;
"""

Další možnosti pro molekulární systém lze definovat a zadat v následujícím formátu slovníku.

# Configure some options for the job.
molecule_options = {"basis": "sto3g"}
hivqe_options = {"shots": 100, "max_iter": 20}

Spusť funkci se zadanými vstupy geometrie a možností.

# Run HI-VQE
job = function.run(
    geometry=geometry,
    # `backend_name` is the name of a backend with at least 16 qubits, for example, "ibm_marrakesh".
    backend_name=backend_name,
    max_states=2000,
    max_expansion_states=10,
    molecule_options=molecule_options,
    hivqe_options=hivqe_options,
)

Je dobré vytisknout ID úlohy funkce, aby ho bylo možné uvést v žádostech o podporu v případě problémů.

print("Job ID:", job.job_id)

Job ID: 128ee399-7cfc-4be2-91e9-c4abd22b97c7

Tento příklad využívá 16 qubitů s 8 orbitaly báze sto3g pro molekulu NH3. Zkontroluj stav svého pracovního zatížení Qiskit Function nebo načti výsledky takto:

print(job.status())

QUEUED

Po dokončení úlohy lze výsledky získat pomocí instance result().

result = job.result()

# Output can be long, so we display a shortened representation
shortened_result = reprlib.repr(result)
print(shortened_result)

{'eigenvector': [0.9824200343205695, 0.009520846167419264, 6.365368845740147e-08, 3.6832123006425615e-07, 0.0012869941182066654, 2.3403891050875465e-05, ...], 'energy': -55.521146537970466, 'energy_history': [-55.52091922342852, -55.52113695367561, -55.521146537970466, -55.52114653864798, -55.521146537970466, -55.521146537970466, ...], 'energy_variance': 9.788555455342562e-12, ...}

Pro přístup k energii základního stavu použij klíč "energy". Klíč "eigenvector" poskytuje CI koeficienty s odpovídající zápisem bitového řetězce konfigurace elektronů uloženého v "states" výsledků.

fci_energy = -55.521148034704126  # the exact energy using FCI method
hivqe_energy = result["energy"]
print(
    f"|Exact Energy - HI-VQE Energy|: {abs(fci_energy - hivqe_energy) * 1000} mHa"
)
print(f"Sampled Number of States: {len(result['states'])}")

|Exact Energy - HI-VQE Energy|: 0.0014967336596782843 mHa
Sampled Number of States: 1936

Výstup:

|Exact Energy - HI-VQE Energy|: 0.077237504 mHa Sampled Number of States: 1936

Výkon

Tato sekce ukazuje provedené referenční výpočty HI-VQE pro případ s 24 qubity pro Li2S, případ s 40 qubity pro molekulu N2 a případ s 44 qubity pro systém FeP-NO.

Křivka potenciální energetické plochy disociace molekuly Li2S s 24 qubity

Křivka PES je zobrazena s referenčními hodnotami FCI a počátečním odhadem z RHF spolu s energetickou chybou oproti referenční hodnotě FCI.

Výpočty byly provedeny s následujícími geometriemi a možnostmi.

# This cell is hidden from users
backend_name = service.least_busy(operational=True, min_num_qubits=38).name

# Define Li2S geometries
Li2S_geoms = {
    "Li2S_1.51": "S        -1.239044    0.671232   -0.030374;Li       -1.506327    0.432403   -1.498949;Li       -0.899996    0.973348    1.826768;",
    "Li2S_2.40": "S        -1.741432    0.680397    0.346702;Li       -0.529307    0.488006   -1.729343;Li       -1.284307    0.989409    2.177209;",
    "Li2S_3.80": "S        -2.707255    0.674298    0.909161;Li        0.079218    0.552012   -1.671656;Li       -0.927010    0.931502    1.557063;",
}

# Configure some options for the job.
molecule_options = {
    "basis": "sto3g",
}
hivqe_options = {
    "shots": 100,
    "max_iter": 20,
}

results = []
for geom in ["Li2S_1.51", "Li2S_2.40", "Li2S_3.80"]:
    # Run HI-VQE
    job = function.run(
        geometry=Li2S_geoms[geom],
        backend_name=backend_name,  # can use any device with at least 38 qubits
        max_states=2000,
        max_expansion_states=10,
        molecule_options=molecule_options,
        hivqe_options=hivqe_options,
    )
    results.append(job.result())

Červené tečky představují výsledky výpočtu HI-VQE pro šest různých geometrií; tři geometrie odpovídající vzdálenostem 1,51, 2,40 a 3,80 Ångströmu jsou zadány jako vstup v buňce výše.

Křivka PES disociace molekuly N2 s 40 qubity

Molekula dusíku byla identifikována jako multireferenční systém s velkými příspěvky korelační energie přesahujícími stav Hartree-Fock. Provedli jsme referenční výpočet molekuly N2 s bází cc-pvdz, (20o,14e) s využitím výběru aktivních orbitalů homo-lumo. Velikost prostoru úplné aktivní vrstvy (CAS) pro popis tohoto problému je 6 009 350 400. Řešení problému vlastních hodnot (pro energii a elektronovou strukturu) s tímto počtem stavů není možné získat na výkonném stolním počítači (16 cpu/64 GB). S HI-VQE mohou uživatelé efektivně prohledávat podprostor stavů CAS a nacházet chemicky přesné výsledky při výrazné úspoře výpočetních zdrojů. Následující grafy ukazují křivku PES výpočtu HI-VQE disociace molekuly N2 s 40 qubity.

Křivka PES disociace pětisouřadnicového železo(II)-porfyrinu se systémem NO s 44 qubity

Dalším zajímavým chemickým systémem je komplex železo(II)-porfyrin (FeP) s koordinovaným ligandem oxidu dusnatého (NO), který představuje biologicky relevantní metaloporfyrinový systém sehrávající klíčovou roli v různých fyziologických procesech. V tomto příkladu byl HI-VQE využit k odhadu přesné křivky potenciální energetické plochy mezimolekulární interakce mezi FeP a NO (energie základního stavu pro různě vzdálené geometrie). Kombinovaný systém má 450 orbitalů a 202 elektronů (450o,202e) s bází 6-31g(d) celkem. Výběr aktivních orbitalů homo-lumo byl použit k výpočtu zmenšeného případu z reálného případu s (22o,22e). Z následujících referenčních výsledků se nám podařilo dosáhnout chemické přesnosti (> 1,6 mHa) ve srovnání s referenčním výpočtem CASCI(DMRG) (22o,22e) na nejmodernějším klasickém počítači pro chemii.

Benchmarky

• Přesná velikost matice je počet determinantů pro přesné řešení, například FCI a CASCI.
• HI-VQE vzorkuje a počítá jejich podprostor (tj. velikost matice HI-VQE).
• Celkový čas zahrnuje běh na QPU a spuštění Qiskit Function s CPU.
• Přesnost je odhadována z energetického rozdílu oproti přesnému řešení.

Chemical system	Number of qubits	Exact matrix size	HI-VQE matrix size	E(diff) from exact (mHa)	Number of iteration	Total time	QPU runtime usage
$NH_3$ (8o,10e)	16	3136	1936	0.08	6	37 s	34 s
$Li_2S$ (10o,10e)	20	63504	3969	0.60	5	250 s	50 s
$NH_3$ (15o,10e)	30	9018009	49729	0.90	5	354 s	54 s
$N_2$ (16o,14e)	32	130873600	1798281	1.10	9	6531 s	121 s
$3H_2O$ (18o,24e)	36	344622096	399424	0.90	24	5174 s	130 s
$N_2$ (20o,14e)	40	6009350400	9012004	1.20	21	46547 s	258 s

Načtení chybových zpráv

Pokud tvoje pracovní zatížení selže, stav bude ERROR a volání job.result() vyvolá výjimku:

job = function.run(
    geometry="invalid-geometry",  # This will cause an error
    backend_name=backend_name,
    max_states=2000,
    max_expansion_states=15,
    molecule_options=molecule_options,
    hivqe_options=hivqe_options,
)

job.result()

job.status()

'ERROR'

Získání podpory

Pomoc s touto funkcí můžeš získat zasláním e-mailu na adresu qiskit.support@qunovacomputing.com.

Pokud potřebuješ pomoc s odstraňováním konkrétní chyby, uveď prosím ID úlohy funkce, která chybu způsobila.

Další kroky

Doporučení

• Požádej o přístup k funkci vyplněním tohoto formuláře.
• Vyzkoušej tutoriál Compute dissociation PES curve for FeP-NO with HI-VQE.
• Přečti si Pellow-Jarman, A., et al. (2025). HIVQE: Handover Iterative Variational Quantum Eigensolver for Efficient Quantum Chemistry Calculations. arXiv preprint arXiv:2503.06292.
• Vyzkoušej tutoriál Dissociation PES curves with Qunova HiVQE.