Квантовые вычисления и технологии квантовой обработки информации привлекли внимание в недавно появившихся областях. Среди многих важных и фундаментальных вопросов науки решение уравнения Шредингера (SE) атомов и молекул является одной из конечных целей в химии, физике и смежных областях. СЭ является первым принципом нерелятивистской квантовой механики, решения которой, называемые волновыми функциями, могут предоставить любую информацию об электронах внутри атомов и молекул, предсказывая их физико-химические свойства и химические реакции.
Доктор К. Сугисаки, Проф. К. Сато, Т. Такуи и его коллеги, все исследователи из городского университета Осаки (OCU) в Японии, нашли новый квантовый алгоритм, позволяющий нам выполнять расчеты взаимодействия с полной конфигурацией (Full-CI), подходящие для « химических реакций », без экспоненциального комбинаторный взрыв. Full-CI дает точные численные решения SE, которые являются неразрешимыми проблемами даже для суперкомпьютеров. Такой квантовый алгоритм способствует ускорению реализации практических квантовых компьютеров. С 1929 года химия и физика стремились предсказывать сложные химическиереакции, использующие подходы Full-CI, но они никогда не были успешными до сих пор. Расчеты полного ХИ потенциально способны прогнозировать химические реакции. Исследователи текущего исследования сообщают о новом подходе Full-CI, впервые реализованном на квантовых компьютерах.
Статья опубликована в ACS Central Science .
Они пишут: «Как утверждал Дирак в 1929 году, когда была основана квантовая механика, точное применение математических теорий для решения SE приводит к слишком сложным уравнениям, чтобы их можно было решить. Фактически, число переменных, которые должны быть определены в методе Full-CI, растет экспоненциально по отношению к размеру системы, и она легко наталкивается на астрономические цифры, такие как экспоненциальный взрыв.Например, размерность вычисления Full-CI для молекулы бензола C 6 H 6 , в которой участвуют только 42 электрона, составляет 10 44, с которым невозможно справиться ни одному суперкомпьютеру. Хуже того, молекулярные системы в процессе диссоциации характеризуются чрезвычайно сложными электронными структурами (многоконфигурационной природы), и соответствующие численные расчеты невозможны на любом суперкомпьютере ».
По данным исследовательской группы OCU, квантовые компьютеры восходят к предположению Фейнмана в 1982 году, что квантовую механику можно моделировать самим компьютером , построенным из элементов квантовой механики, которые подчиняются законам квантовой механики. Более 20 лет спустя, профессор Аспуру-Гузик, Гарвардский университет. (Toronto Univ. С 2018 г.) и его коллеги предложили квантовый алгоритм, способный вычислять энергии атомов и молекул не экспоненциально, а полиномиально по числу переменных систем, что делает прорыв в области квантовой химии на квантовых компьютерах.
Когда квантовый алгоритм Аспуру применяется к вычислениям Full-CI на квантовых компьютерах, требуются хорошие приближенные волновые функции, близкие к точным волновым функциям исследуемой SE. В противном случае плохие волновые функции нуждаются в крайнем количестве шагов повторяющихся вычислений, чтобы достичь точных, ограничивая преимущества квантовых вычислений., Эта проблема становится чрезвычайно серьезной для анализа химических реакций, которые имеют многоконфигурационную природу из-за того, что электроны не участвуют в химической связи во время диссоциации связи. Исследователи из OCU решили эту проблему, одну из наиболее сложных в квантовой науке и химии, и сделали прорыв в реализации нового квантового алгоритма, генерирующего конкретные волновые функции, называемые функциями состояния конфигурации (CSF), за время полиномиального вычисления.
Однако ранее предложенные алгоритмы квантовых вычислений неизбежно включают диссоциацию и образование многих химических связей и, как результат, генерируют много электронов, не участвующих в химических связях, что затрудняет применение квантовых алгоритмов. Это называется «Квантовая дилемма».
Исследователи OCU ввели дирадикальный характер, yi (0 ~ 1), чтобы измерить и охарактеризовать природу электронных структур с открытыми оболочками, и использовать дирадикальные символы для построения многоконфигурационных волновых функций, необходимых для химических реакций, выполняя вычисления Full-CI вдоль всего пути реакции на квантовых компьютерах. Эта новая процедура не требует трудоемких вычислений после Хартри-Фока, избегая экспоненциального взрыва вычислений и впервые решая «квантовую дилемму». Группа OCU пишет: «Это первый пример практического квантового алгоритма, который делает квантово-химические вычисления для предсказания путей химических реакций, реализуемых на квантовых компьютерах, оснащенных значительным числом кубитов.
