Quantumcomputers hebben de laatste tijd veel aandacht gekregen, omdat van hen wordt verwacht dat ze bepaalde problemen oplossen die buiten de mogelijkheden van normale computers liggen. De belangrijkste oorzaak van deze problemen is het bepalen van de elektronische toestanden van atomen en moleculen, zodat ze effectiever kunnen worden gebruikt in een verscheidenheid aan industrieën - van lithium-ionbatterijontwerpen tot in silico-technologieën bij de ontwikkeling van geneesmiddelen. Een gebruikelijke manier waarop wetenschappers dit probleem hebben benaderd, is door de totale energieën van de individuele toestanden van een molecuul of atoom te berekenen en vervolgens het verschil in energie tussen deze toestanden te bepalen. In de natuur, veel moleculen groeien in grootte en complexiteit, en de kosten om deze constante flux te berekenen, gaan het vermogen van een traditionele computer of huidige kwantumalgoritmen te boven. Daarom, theoretische voorspellingen van de totale energieën zijn alleen mogelijk geweest als moleculen niet omvangrijk zijn en geïsoleerd van hun natuurlijke omgeving.

"Om ervoor te zorgen dat kwantumcomputers een realiteit worden, de algoritmen moeten robuust genoeg zijn om de elektronische toestanden van atomen en moleculen nauwkeurig te voorspellen, zoals ze in de natuur voorkomen, "vermelden Kenji Sugisaki en Takeji Takui van de Graduate School of Science, Stadsuniversiteit van Osaka.

In december 2020, Sugisaki en Takui, samen met hun collega's, leidde een team van onderzoekers om een ​​kwantumalgoritme te ontwikkelen dat ze Bayesiaanse eXchange-koppelingsparametercalculator met Broken-symmetry-golffuncties (BxB) noemen, dat de elektronische toestanden van atomen en moleculen voorspelt door de energieverschillen direct te berekenen. Ze merkten op dat energieverschillen in atomen en moleculen constant blijven, ongeacht hoe complex en groot ze worden, ondanks dat hun totale energie groeit naarmate het systeem groter wordt. "Met BxB, we vermeden de gangbare praktijk om de totale energieën te berekenen en richtten ons direct op de energieverschillen, rekenkosten binnen polynomiale tijd houden, "zeggen ze. "Sindsdien, ons doel was om de efficiëntie van onze BxB-software te verbeteren, zodat het de elektronische toestanden van atomen en moleculen met chemische precisie kan voorspellen."

Met behulp van de rekenkosten van een bekend algoritme genaamd Quantum Phase Estimation (QPE) als benchmark, "We berekenden de verticale ionisatie-energieën van kleine moleculen zoals CO, O ₂ , CN, F ₂ , H ₂ O, NH ₃ binnen 0,1 elektronvolt (eV) van precisie, " stelt het team, met de helft van het aantal qubits, de berekeningskosten op één lijn te brengen met QPE.

Hun bevindingen zullen online worden gepubliceerd in de maart-editie van de Journal of Physical Chemistry Letters .

Ionisatie-energie is een van de meest fundamentele fysische eigenschappen van atomen en moleculen en een belangrijke indicator voor het begrijpen van de sterkte en eigenschappen van chemische bindingen en reacties. Kortom, Door de ionisatie-energie nauwkeurig te voorspellen, kunnen we chemicaliën gebruiken die verder gaan dan de huidige norm. Vroeger, het was nodig om de energieën van de neutrale en geïoniseerde toestanden te berekenen, maar met het BxB-kwantumalgoritme, de ionisatie-energie kan in een enkele berekening worden verkregen zonder de individuele totale energieën van de neutrale en geïoniseerde toestanden te inspecteren. "Van numerieke simulaties van het kwantumlogicacircuit in BxB, we ontdekten dat de rekenkosten voor het uitlezen van de ionisatie-energie constant zijn, ongeacht het atoomnummer of de grootte van het molecuul, ", stelt het team, "en dat de ionisatie-energie kan worden verkregen met een hoge nauwkeurigheid van 0,1 eV na het wijzigen van de lengte van het kwantumlogica-circuit tot minder dan een tiende van QPE."

Met de ontwikkeling van kwantumcomputerhardware, Sugisaki en Takui, samen met hun team, verwachten dat het BxB-kwantumalgoritme zeer nauwkeurige energieberekeningen zal uitvoeren voor grote moleculen die niet in realtime kunnen worden behandeld met conventionele computers.