La computación cuántica y la tecnología de procesamiento de información cuántica han atraído la atención en campos emergentes recientemente. Entre muchos temas importantes y fundamentales en la ciencia, resolver la ecuación de Schroedinger (EE) de átomos y moléculas es uno de los objetivos finales de la química, física y sus campos relacionados. SE es el primer principio de la mecánica cuántica no relativista, cuyas soluciones, denominadas funciones de onda, puede proporcionar cualquier información de electrones dentro de átomos y moléculas, predecir sus propiedades fisicoquímicas y reacciones químicas.

Dr. K. Sugisaki, Profs. K. Sato y T. Takui y compañeros de trabajo, todos los investigadores de la Universidad de la Ciudad de Osaka (OCU) en Japón, han encontrado un algoritmo cuántico novedoso que nos permite realizar cálculos de interacción de configuración completa (Full-CI) adecuados para "reacciones químicas" sin explosión exponencial / combinatoria. Full-CI da las soluciones numéricas exactas de SE, que son problemas insolubles incluso para las supercomputadoras. Tal algoritmo cuántico contribuye a acelerar la implementación de computadoras cuánticas prácticas. Desde 1929, La química y la física han tratado de predecir reacciones químicas complejas invocando enfoques de CI completa, pero nunca han tenido éxito hasta ahora. Los cálculos de CI completo son potencialmente capaces de predecir reacciones químicas. Los investigadores del estudio actual informan sobre un nuevo enfoque Full-CI implementado en computadoras cuánticas por primera vez.

El artículo se publica en Ciencia Central ACS .

Escriben, "Como Dirac afirmó en 1929 cuando se estableció la mecánica cuántica, la aplicación exacta de teorías matemáticas para resolver EE conduce a ecuaciones demasiado complicadas para ser resueltas. De hecho, el número de variables que se determinarán en el método Full-CI crece exponencialmente contra el tamaño del sistema, y se topa fácilmente con cifras astronómicas como una explosión exponencial. Por ejemplo, la dimensión del cálculo de CI completo para la molécula de benceno C ₆ H ₆ , en el que solo participan 42 electrones, asciende a 10 ⁴⁴ , que es imposible de manejar por cualquier superordenador. Peor, Los sistemas moleculares durante el proceso de disociación se caracterizan por estructuras electrónicas extremadamente complejas (naturaleza multiconfiguracional), y los cálculos numéricos relevantes son imposibles en cualquier supercomputadora ".

Según el grupo de investigación OCU, Las computadoras cuánticas se remontan a la sugerencia de Feynman en 1982 de que la mecánica cuántica puede ser simulada por una computadora construida a partir de elementos de la mecánica cuántica que obedecen las leyes de la mecánica cuántica. Más de 20 años después, Prof. Aspuru-Guzik, Universidad de Harvard. (Toronto Univ. Desde 2018) y sus compañeros de trabajo han propuesto un algoritmo cuántico capaz de calcular las energías de átomos y moléculas no exponencialmente sino polinomialmente contra el número de variables de los sistemas, haciendo un gran avance en el campo de la química cuántica en computadoras cuánticas.

Cuando el algoritmo cuántico de Aspuru se aplica a los cálculos de CI completo en computadoras cuánticas, Se requieren buenas funciones de onda aproximadas cercanas a las funciones de onda exactas del SE en estudio. De lo contrario, Las malas funciones de onda necesitan un número extremo de pasos de cálculos repetidos para llegar a los exactos. obstaculizando las ventajas de la computación cuántica. Este problema se vuelve extremadamente grave para los análisis de reacciones químicas, que tienen una naturaleza multiconfiguracional debido a que los electrones no participan en el enlace químico durante la disociación del enlace. Los investigadores de OCU han abordado este problema, uno de los problemas más intratables de la ciencia cuántica y la química, e hizo un gran avance en la implementación de un nuevo algoritmo cuántico que genera funciones de onda particulares llamadas funciones de estado de configuración (CSF) en el tiempo de computación polinomial.

Los algoritmos propuestos anteriormente para la computación cuántica, sin embargo, implican inevitablemente la disociación y formación de muchos enlaces químicos, y como un resultado, generar muchos electrones que no participan en enlaces químicos, dificultando la aplicación de los algoritmos cuánticos. Esto se denomina el "dilema cuántico".

Los investigadores de OCU han introducido un carácter diradical, yi ^{(0 ~ 1)} , medir y caracterizar la naturaleza de las estructuras electrónicas de capa abierta, y han explotado los caracteres diradical para construir funciones de onda multiconfiguracionales requeridas para reacciones químicas, ejecutando los cálculos de CI completo a lo largo de toda la vía de reacción en computadoras cuánticas. Este nuevo procedimiento no requiere cálculos posteriores a Hartree-Fock que consumen mucho tiempo, evitando la explosión exponencial del cálculo, resolviendo el "Dilema cuántico" por primera vez. El grupo OCU escribe, "Este es el primer ejemplo de un algoritmo cuántico práctico que hace que los cálculos químicos cuánticos para predecir las vías de reacción química sean realizables en computadoras cuánticas equipadas con un número considerable de qubits. La implementación permite aplicaciones prácticas de cálculos químicos cuánticos en computadoras cuánticas en muchos campos importantes de química y ciencia de los materiales ".