Quantum computing och quantum information processing technology har väckt uppmärksamhet inom nyligen framväxande områden. Bland många viktiga och grundläggande frågor inom vetenskap, att lösa Schroedinger -ekvationen (SE) för atomer och molekyler är ett av de slutliga målen inom kemi, fysik och deras relaterade områden. SE är den första principen för icke-relativistisk kvantmekanik, vars lösningar, kallade vågfunktioner, har råd med all information om elektroner inom atomer och molekyler, förutsäga deras fysikalisk -kemiska egenskaper och kemiska reaktioner.

Dr K. Sugisaki, Profs. K. Sato och T. Takui och medarbetare, alla forskare från Osaka City University (OCU) i Japan, har hittat en ny kvantalgoritm som gör att vi kan utföra beräkningar för fullständig konfiguration (Full-CI) lämpliga för "kemiska reaktioner" utan exponentiell/kombinatorisk explosion. Full-CI ger exakta numeriska lösningar för SE, som är svårlösliga problem även för superdatorer. En sådan kvantalgoritm bidrar till accelerationen av implementering av praktiska kvantdatorer. Sedan 1929 har kemi och fysik har försökt att förutsäga komplexa kemiska reaktioner genom att åberopa Full-CI-metoder, men de har aldrig varit framgångsrika förrän nu. Full-CI-beräkningar kan potentiellt förutsäga kemiska reaktioner. Forskarna i den aktuella studien rapporterar en ny Full-CI-metod implementerad på kvantdatorer för första gången.

Tidningen publiceras i ACS Central Science .

De skriver, "Som Dirac påstod 1929 när kvantmekaniken etablerades, den exakta tillämpningen av matematiska teorier för att lösa SE leder till ekvationer som är för komplicerade för att kunna lösas. Faktiskt, antalet variabler som ska bestämmas i Full-CI-metoden växer exponentiellt mot systemstorleken, och det stöter lätt på astronomiska figurer som exponentiell explosion. Till exempel, dimensionen av Full-CI-beräkningen för bensenmolekyl C ₆ H ₆ , där endast 42 elektroner är inblandade, uppgår till 10 ⁴⁴ , vilket är omöjligt att hantera av någon superdator. Värre, molekylära system under dissociationsprocessen kännetecknas av extremt komplexa elektroniska strukturer (multikonfigurationell natur), och relevanta numeriska beräkningar är omöjliga på någon superdator. "

Enligt forskningsgruppen OCU, kvantdatorer dateras tillbaka till Feynmans förslag 1982 att kvantmekanik kan simuleras av en dator själv byggd av kvantmekaniska element som följer kvantmekaniska lagar. Mer än 20 år senare, Professor Aspuru-Guzik, Harvard Univ. (Toronto Univ. Sedan 2018) och medarbetare har föreslagit en kvantalgoritm som kan beräkna atomer och molekylers energier inte exponentiellt utan polynomt mot antalet variabler i systemen, göra ett genombrott inom kvantkemi på kvantdatorer.

När Aspurus kvantalgoritm tillämpas på Full-CI-beräkningarna på kvantdatorer, bra ungefärliga vågfunktioner nära de exakta vågfunktionerna för SE som studeras krävs. Annat, dåliga vågfunktioner behöver ett extremt antal steg med upprepade beräkningar för att nå de exakta, hämmar fördelarna med kvantberäkning. Detta problem blir extremt allvarligt för analyser av kemiska reaktioner, som har en multikonfigurationskaraktär på grund av att elektroner inte deltar i kemisk bindning under bindningsdissociationen. OCU -forskarna har hanterat detta problem, en av de mest svårlösliga frågorna inom kvantvetenskap och kemi, och gjorde ett genombrott i implementeringen av en ny kvantalgoritm som genererar särskilda vågfunktioner som kallas konfigurationstillståndsfunktioner (CSF:er) i polynomisk beräkningstid.

De tidigare föreslagna algoritmerna för kvantberäkning, dock, oundvikligen involvera dissociation och bildning av många kemiska bindningar, och som resultat, genererar många elektroner som inte deltar i kemiska bindningar, vilket gör det svårt att tillämpa kvantalgoritmerna. Detta kallas "Quantum Dilemma".

OCU -forskarna har introducerat en diradisk karaktär, yi ^{(0 ~ 1)} , att mäta och karakterisera naturen hos öppna skal elektroniska strukturer, och har utnyttjat de diradiska karaktärerna för att konstruera multikonfigurationsvågfunktioner som krävs för kemiska reaktioner, utföra Full-CI-beräkningarna längs hela reaktionsvägen på kvantdatorer. Detta nya förfarande kräver inga tidskrävande beräkningar efter Hartree-Fock, undvika beräkningens exponentiella explosion, lösa "Quantum Dilemma" för första gången. OCU -gruppen skriver, "Detta är det första exemplet på en praktisk kvantalgoritm som gör kvantkemiska beräkningar för att förutsäga kemiska reaktionsvägar realiserbara på kvantdatorer utrustade med ett stort antal qubits. Implementeringen möjliggör praktiska tillämpningar av kvantkemiska beräkningar på kvantdatorer inom många viktiga områden av kemi och materialvetenskap. "