Izquierda:La diferencia de fase entre | 0⟩ | Ψ⟩ y exp (-iEt) | 1⟩ | Ψ⟩ proporciona la energía total E. La flecha curva en violeta indica la evolución de fase de | Ψ⟩ en el tiempo. Derecha:La diferencia de fase entre exp (-iE0t) | 0⟩ | Ψ0⟩ y exp (-iE1t) | 1⟩ | Ψ1⟩ proporciona la diferencia de energía E1 - E0, directamente. Las flechas curvas en azul y en violeta indican la evolución de fase de | Ψ0⟩ y la de | Ψ1⟩, respectivamente. Crédito:K. Sugisaki, K. Sato y T. Takui
Como informó recientemente la revista Física Química Física Química , Investigadores de la Escuela de Graduados en Ciencias de la Universidad de la Ciudad de Osaka han desarrollado un algoritmo cuántico que puede comprender los estados electrónicos de sistemas atómicos o moleculares calculando directamente la diferencia de energía en sus estados relevantes. Implementado como una estimación diferente en fase bayesiana, el algoritmo rompe con la convención al no enfocarse en la diferencia en las energías totales calculadas a partir de la evolución previa y posterior a la fase, sino siguiendo la evolución de la propia diferencia energética.
"Casi todos los problemas de química discuten la diferencia de energía, no la energía total de la molécula en sí, "dice Kenji Sugisaki, líder de investigación y conferencista especialmente designado, "además, Las moléculas con átomos pesados que aparecen en la parte inferior de la tabla periódica tienen grandes energías totales, pero el tamaño de la diferencia de energía discutida en química, como estados de excitación electrónica y energías de ionización, no depende mucho del tamaño de la molécula ". Esta idea llevó a Sugisaki y su equipo a implementar un algoritmo cuántico que calcula directamente las diferencias de energía en lugar de las energías totales, creando un futuro en el que las computadoras cuánticas escalables o prácticas nos permitan llevar a cabo investigación química y desarrollo de materiales reales.
En la actualidad, Las computadoras cuánticas son capaces de realizar cálculos de interacción de configuración completa (CI completo) que proporcionan energías moleculares óptimas con un algoritmo cuántico llamado estimación de fase cuántica (QPE), señalando que el cálculo de CI completo para sistemas moleculares considerables es intratable con cualquier supercomputadora. QPE se basa en el hecho de que una función de onda, | Ψ⟩ que denota la descripción matemática del estado cuántico de un sistema microscópico, en este caso la solución matemática de la ecuación de Schrödinger para el sistema microscópico como un átomo o una molécula, el tiempo cambia evolutivamente su fase dependiendo de su energía total. En el QPE convencional, se prepara el estado de superposición cuántica (| 0⟩ | Ψ⟩ + | 1⟩ | Ψ⟩) ⁄ √2, y la introducción de un operador de evolución temporal controlada hace que | Ψ⟩ evolucione en el tiempo sólo cuando el primer qubit designa el estado | 1⟩. Por lo tanto, el estado | 1⟩ crea una fase cuántica de la post-evolución en el tiempo mientras que el estado | 0⟩ la de la pre-evolución. La diferencia de fase entre las evoluciones pre y post da la energía total del sistema.
Los investigadores de la Universidad de la Ciudad de Osaka generalizan el QPE convencional al cálculo directo de la diferencia en la energía total entre dos estados cuánticos relevantes. En el algoritmo cuántico recientemente implementado denominado estimación de diferencia de fase bayesiana (BPDE), la superposición de las dos funciones de onda, (| 0⟩ | Ψ 0 ⟩ + | 1⟩ | Ψ 1 ⟩) ⁄ √2, donde | Ψ 0 ⟩ Y | Ψ 1 ⟩ Denotar la función de onda relevante para cada estado, respectivamente, Esta preparado, y la diferencia en la fase entre | Ψ 0 ⟩ Y | Ψ 1 ⟩ Después de la evolución temporal de la superposición da directamente la diferencia en la energía total entre las dos funciones de onda involucradas. "Hacemos hincapié en que el algoritmo sigue la evolución de la diferencia de energía a lo largo del tiempo, que es menos propenso al ruido que calcular individualmente la energía total de un átomo o molécula. Por lo tanto, el algoritmo se adapta a la necesidad de problemas químicos que requieren una precisión energética precisa ”, afirma el supervisor de investigación y profesor emérito Takeji Takui.
Previamente, este grupo de investigación desarrolló un algoritmo cuántico que calcula directamente la diferencia de energía entre estados electrónicos (estados de espín) con diferentes números cuánticos de espín (K. Sugisaki, K. Toyota, K. Sato, D. Shiomi, T. Takui, Chem. Sci. 2021, 12 , 2121-2132.). Este algoritmo, sin embargo, requiere más qubits que el QPE convencional y no se puede aplicar al cálculo de la diferencia de energía entre los estados electrónicos con números cuánticos de espín iguales, lo cual es importante para la asignación espectral de espectros de absorción UV-visible. El algoritmo BPDE desarrollado en el estudio supera estos problemas, lo que lo convierte en un algoritmo cuántico muy versátil.
