Quantum computing en kwantuminformatieverwerkingstechnologie hebben de aandacht getrokken in recent opkomende gebieden. Onder de vele belangrijke en fundamentele kwesties in de wetenschap, het oplossen van de Schroedinger-vergelijking (SE) van atomen en moleculen is een van de ultieme doelen in de chemie, natuurkunde en aanverwante gebieden. SE is het eerste principe van niet-relativistische kwantummechanica, wiens oplossingen, golffuncties genoemd, kan zich alle informatie over elektronen binnen atomen en moleculen veroorloven, het voorspellen van hun fysisch-chemische eigenschappen en chemische reacties.

Dr. K. Sugisaki, profs. K. Sato en T. Takui en collega's, alle onderzoekers van de Osaka City University (OCU) in Japan, hebben een nieuw kwantumalgoritme gevonden dat ons in staat stelt om volledige configuratie-interactie (Full-CI) berekeningen uit te voeren die geschikt zijn voor "chemische reacties" zonder exponentiële/combinatorische explosie. Full-CI geeft de exacte numerieke oplossingen van SE, die zelfs voor supercomputers hardnekkige problemen zijn. Zo'n kwantumalgoritme draagt ​​bij aan het versnellen van de implementatie van praktische kwantumcomputers. Sinds 1929, scheikunde en natuurkunde hebben getracht complexe chemische reacties te voorspellen door gebruik te maken van Full-CI-benaderingen, maar tot nu toe zijn ze nooit succesvol geweest. Full-CI-berekeningen zijn potentieel in staat om chemische reacties te voorspellen. De onderzoekers van de huidige studie rapporteren een nieuwe Full-CI-aanpak die voor het eerst op kwantumcomputers is geïmplementeerd.

De krant is gepubliceerd in ACS Centrale Wetenschap .

Zij schrijven, "Zoals Dirac beweerde in 1929 toen de kwantummechanica werd opgericht, de exacte toepassing van wiskundige theorieën om SE op te lossen leidt tot vergelijkingen die te ingewikkeld zijn om oplosbaar te zijn. In feite, het aantal variabelen dat moet worden bepaald in de Full-CI-methode groeit exponentieel ten opzichte van de systeemgrootte, en het loopt gemakkelijk tegen astronomische cijfers aan, zoals een exponentiële explosie. Bijvoorbeeld, de dimensie van de Full-CI-berekening voor benzeenmolecuul C ₆ H ₆ , waarbij slechts 42 elektronen betrokken zijn, bedraagt ​​10 ⁴⁴ , die door geen enkele supercomputer kan worden afgehandeld. Slechter, moleculaire systemen tijdens het dissociatieproces worden gekenmerkt door uiterst complexe elektronische structuren (multiconfiguratiekarakter), en relevante numerieke berekeningen zijn onmogelijk op een supercomputer."

Volgens de OCU-onderzoeksgroep kwantumcomputers dateren uit de suggestie van Feynman in 1982 dat kwantummechanica kan worden gesimuleerd door een computer die zelf is opgebouwd uit kwantummechanische elementen die voldoen aan kwantummechanische wetten. Meer dan 20 jaar later, Prof. Aspuru-Guzik, Harvard Univ. (Toronto Univ. sinds 2018) en collega's hebben een kwantumalgoritme voorgesteld dat in staat is om de energieën van atomen en moleculen niet exponentieel maar polynomiaal te berekenen tegen het aantal variabelen van de systemen, het maken van een doorbraak op het gebied van kwantumchemie op kwantumcomputers.

Wanneer Aspuru's kwantumalgoritme wordt toegepast op de Full-CI-berekeningen op kwantumcomputers, goede benaderde golffuncties dicht bij de exacte golffuncties van SE die worden bestudeerd zijn vereist. Anders, slechte golffuncties hebben een extreem aantal stappen van herhaalde berekeningen nodig om de exacte te bereiken, de voordelen van kwantumcomputing belemmeren. Dit probleem wordt uiterst ernstig voor de analyses van chemische reacties, die een multiconfigurationeel karakter hebben omdat elektronen niet deelnemen aan chemische binding tijdens de bindingsdissociatie. De OCU-onderzoekers hebben dit probleem aangepakt, een van de meest hardnekkige problemen in de kwantumwetenschap en scheikunde, en maakte een doorbraak in de implementatie van een nieuw kwantumalgoritme dat bepaalde golffuncties genereert, genaamd configuratietoestandsfuncties (CSF's) in polynomiale rekentijd.

De eerder voorgestelde algoritmen voor quantum computing, echter, onvermijdelijk gepaard gaan met de dissociatie en vorming van veel chemische bindingen, en als een resultaat, genereren veel elektronen die niet deelnemen aan chemische bindingen, waardoor de kwantumalgoritmen moeilijk toepasbaar zijn. Dit wordt het 'kwantumdilemma' genoemd.

De OCU-onderzoekers hebben een diradicaal karakter geïntroduceerd, yi ^{(0 ~ 1)} , om de aard van elektronische structuren met open schil te meten en te karakteriseren, en de tweeradicalen hebben gebruikt om multiconfiguratiegolffuncties te construeren die nodig zijn voor chemische reacties, het uitvoeren van de Full-CI-berekeningen langs het hele reactiepad op kwantumcomputers. Deze nieuwe procedure vereist geen tijdrovende post-Hartree-Fock berekeningen, het vermijden van de exponentiële explosie van de berekening, voor de eerste keer het "Quantum Dilemma" oplossen. De OCU-groep schrijft, "Dit is het eerste voorbeeld van een praktisch kwantumalgoritme dat kwantumchemische berekeningen maakt voor het voorspellen van chemische reactiepaden die realiseerbaar zijn op kwantumcomputers die zijn uitgerust met een aanzienlijk aantal qubits. De implementatie maakt praktische toepassingen mogelijk van kwantumchemische berekeningen op kwantumcomputers op veel belangrijke gebieden van scheikunde en materiaalkunde."