Las computadoras cuánticas han recibido mucha atención recientemente, ya que se espera que resuelvan ciertos problemas que están fuera de las capacidades de las computadoras normales. El principal de estos problemas es determinar los estados electrónicos de los átomos y las moléculas para que se puedan utilizar de forma más eficaz en una variedad de industrias, desde diseños de baterías de iones de litio hasta tecnologías in silico en el desarrollo de fármacos. Una forma común en la que los científicos han abordado este problema es calculando las energías totales de los estados individuales de una molécula o átomo y luego determinando la diferencia de energía entre estos estados. En naturaleza, muchas moléculas crecen en tamaño y complejidad, y el costo de calcular este flujo constante está más allá de la capacidad de cualquier computadora tradicional o de los algoritmos cuánticos establecidos actualmente. Por lo tanto, Las predicciones teóricas de las energías totales sólo han sido posibles si las moléculas no son de tamaño considerable y están aisladas de su entorno natural.

"Para que las computadoras cuánticas sean una realidad, sus algoritmos deben ser lo suficientemente robustos para predecir con precisión los estados electrónicos de átomos y moléculas, tal como existen en la naturaleza, "afirman Kenji Sugisaki y Takeji Takui de la Escuela de Graduados en Ciencias, Universidad de la ciudad de Osaka.

En diciembre de 2020, Sugisaki y Takui, junto con sus compañeros, dirigió a un equipo de investigadores a desarrollar un algoritmo cuántico que llaman calculadora de parámetros de acoplamiento de intercambio bayesiano con funciones de onda de simetría rota (BxB), que predice los estados electrónicos de átomos y moléculas calculando directamente las diferencias de energía. Notaron que las diferencias de energía en átomos y moléculas permanecen constantes, independientemente de cuán complejos y grandes se vuelvan a pesar de que sus energías totales crecen a medida que aumenta el tamaño del sistema. "Con BxB, evitamos la práctica común de calcular las energías totales y apuntamos directamente a las diferencias de energía, mantener los costos de computación dentro del tiempo polinomial, ", afirman". Desde entonces, nuestro objetivo ha sido mejorar la eficiencia de nuestro software BxB para que pueda predecir los estados electrónicos de átomos y moléculas con precisión química ".

Usando los costos de computación de un algoritmo conocido llamado Estimación de fase cuántica (QPE) como punto de referencia, "calculamos las energías de ionización vertical de moléculas pequeñas como el CO, O ₂ , CN, F ₂ , H ₂ Oh NUEVA HAMPSHIRE ₃ dentro de 0,1 electronvoltios (eV) de precisión, "afirma el equipo, usando la mitad de qubits, llevando el costo de cálculo a la par con QPE.

Sus hallazgos se publicarán en línea en la edición de marzo de la Revista de letras de química física .

La energía de ionización es una de las propiedades físicas más fundamentales de los átomos y las moléculas y un indicador importante para comprender la fuerza y ​​las propiedades de los enlaces y reacciones químicas. En breve, predecir con precisión la energía de ionización nos permite utilizar productos químicos más allá de la norma actual. En el pasado, era necesario calcular las energías de los estados neutro e ionizado, pero con el algoritmo cuántico BxB, la energía de ionización se puede obtener en un solo cálculo sin inspeccionar las energías totales individuales de los estados neutro e ionizado. "A partir de simulaciones numéricas del circuito de lógica cuántica en BxB, Descubrimos que el costo computacional para leer la energía de ionización es constante independientemente del número atómico o del tamaño de la molécula, "dice el equipo, "y que la energía de ionización se puede obtener con una alta precisión de 0,1 eV después de modificar la longitud del circuito de lógica cuántica para que sea inferior a una décima parte de QPE".

Con el desarrollo del hardware de la computadora cuántica, Sugisaki y Takui, junto con su equipo, esperan que el algoritmo cuántico BxB realice cálculos de energía de alta precisión para moléculas grandes que no se pueden tratar en tiempo real con computadoras convencionales.