通过基于样本的量子对角化方法计算周期性材料的带隙

《npj Computational Materials》：Computing band gaps of periodic materials via sample-based quantum diagonalization

　　

摘要

计算固态物理学的一个关键目标是预测周期性材料的电子性质。然而，如果不对电子结构中的相关性进行适当处理，基于密度泛函理论的电子结构模拟就无法准确预测实验结果。在这里，我们提出了一种基于采样的量子对角化工作流程，用于模拟周期性材料的电子态并预测其带隙。为此，我们设计了一种通用的晶格哈密顿量表示方法，其中材料特定的电子相互作用参数可以自洽地获得。我们选取了两种具有宽带隙的材料——二氧化铪和二氧化锆——并将它们表示为量子电路，这些电路利用了具有材料特定参数化的晶格表示方法。我们在先进的超导量子处理器上对这些量子电路进行采样，并使用标准技术在简化的配置子空间中对晶格哈密顿量进行对角化。我们的方法优于某些量子化学基准测试方法以及基于密度泛函理论的方法（后者是固体材料模拟的标准参考方法）。重要的是，对于这两种电介质，量子计算得到的带隙预测与独立的实验室实验结果一致。本质上，在具有容错能力的量子计算机上进行的量子-经典混合模拟工作流程能够在应用材料科学中产生有用且可实验验证的性质预测。