Kvantekemi på kvantecomputere

Quantum computing og quantum information processing technology har tiltrukket opmærksomhed inden for nyligt voksende felter. Blandt mange vigtige og grundlæggende spørgsmål inden for videnskab, At løse Schroedinger -ligningen (SE) for atomer og molekyler er et af de ultimative mål inden for kemi, fysik og deres beslægtede områder. SE er det første princip for ikke-relativistisk kvantemekanik, hvis løsninger, betegnet bølgefunktioner, har råd til enhver information om elektroner inden for atomer og molekyler, forudsige deres fysisk -kemiske egenskaber og kemiske reaktioner.

Dr. K. Sugisaki, Profs. K. Sato og T. Takui og kolleger, alle forskere fra Osaka City University (OCU) i Japan, har fundet en ny kvantealgoritme, der gør det muligt for os at udføre fuldt konfigurationsinteraktionsberegninger (Full-CI), der er egnede til "kemiske reaktioner" uden eksponentiel/kombinatorisk eksplosion. Full-CI giver de nøjagtige numeriske løsninger for SE, som er uoverkommelige problemer, selv for supercomputere. En sådan kvantealgoritme bidrager til accelerationen af ​​implementeringen af ​​praktiske kvantecomputere. Siden 1929 har kemi og fysik har søgt at forudsige komplekse kemiske reaktioner ved at påberåbe Full-CI-tilgange, men de har aldrig haft succes før nu. Fuld-CI-beregninger er potentielt i stand til at forudsige kemiske reaktioner. Forskerne i den nuværende undersøgelse rapporterer en ny Full-CI-tilgang implementeret på kvantecomputere for første gang.

Papiret udgives i ACS Central Science .

De skriver, "Som Dirac hævdede i 1929, da kvantemekanikken blev etableret, den nøjagtige anvendelse af matematiske teorier til at løse SE fører til ligninger, der er for komplicerede til at kunne løses. Faktisk, antallet af variabler, der skal bestemmes i Full-CI-metoden, vokser eksponentielt i forhold til systemstørrelsen, og det løber let ind i astronomiske figurer såsom eksponentiel eksplosion. For eksempel, dimensionen af ​​fuld-CI-beregningen for benzenmolekyle C ₆ H ₆ , hvor kun 42 elektroner er involveret, beløber sig til 10 ⁴⁴ , hvilket er umuligt at håndtere af nogen supercomputer. Værre, molekylære systemer under dissociationsprocessen er kendetegnet ved ekstremt komplekse elektroniske strukturer (multikonfigurationel natur), og relevante numeriske beregninger er umulige på nogen supercomputer. "

Ifølge forskningsgruppen OCU, kvantecomputere dateres tilbage til Feynmans forslag i 1982 om, at kvantemekanik kan simuleres af en computer selv bygget af kvantemekaniske elementer, der overholder kvantemekaniske love. Mere end 20 år senere, Professor Aspuru-Guzik, Harvard Univ. (Toronto Univ. Siden 2018) og kolleger har foreslået en kvantealgoritme, der ikke er i stand til at beregne energierne for atomer og molekyler ikke eksponentielt, men polynomalt i forhold til antallet af systemernes variabler, at få et gennembrud inden for kvantekemi på kvantecomputere.

Når Aspurus kvantealgoritme anvendes på Full-CI-beregningerne på kvantecomputere, gode omtrentlige bølgefunktioner tæt på de eksakte bølgefunktioner i SE, der undersøges, er påkrævet. Ellers, dårlige bølgefunktioner har brug for et ekstremt antal trin med gentagne beregninger for at nå de nøjagtige, hæmmer fordelene ved quantum computing. Dette problem bliver ekstremt alvorligt ved analyser af kemiske reaktioner, som har en multikonfigurationskarakter på grund af elektroner, der ikke deltager i kemisk binding under bindingsdissociationen. OCU -forskerne har tacklet dette problem, et af de mest vanskelige spørgsmål inden for kvantevidenskab og kemi, og fik et gennembrud i implementeringen af ​​en ny kvantealgoritme, der genererede bestemte bølgefunktioner kaldet konfigurationstilstandsfunktioner (CSF'er) i polynomisk beregningstid.

De tidligere foreslåede algoritmer til kvanteberegning, imidlertid, uundgåeligt involvere dissociation og dannelse af mange kemiske bindinger, og som følge heraf, genererer mange elektroner, der ikke deltager i kemiske bindinger, gør det svært at anvende kvantealgoritmerne. Dette kaldes "Quantum Dilemma."

OCU -forskerne har introduceret en diradisk karakter, yi ^{(0 ~ 1)} , at måle og karakterisere karakteren af ​​elektroniske open shell -strukturer, og har udnyttet de diradiske tegn til at konstruere multikonfigurationelle bølgefunktioner, der kræves til kemiske reaktioner, udførelse af Full-CI-beregningerne langs hele reaktionsvejen på kvantecomputere. Denne nye procedure kræver ingen tidskrævende beregninger efter Hartree-Fock, undgå den eksponentielle eksplosion af beregningen, at løse "Quantum Dilemma" for første gang. OCU -gruppen skriver, "Dette er det første eksempel på en praktisk kvantealgoritme, der gør kvantekemiske beregninger til forudsigelse af kemiske reaktionsveje realiserbare på kvantecomputere udstyret med et betydeligt antal qubits. Implementeringen giver praktiske anvendelser af kvantekemiske beregninger på kvantecomputere inden for mange vigtige områder af kemi og materialevidenskab. "