Квантові обчислення і технології квантової обробки інформації вже привернули увагу в різних галузях досліджень. Серед багатьох важливих і фундаментальних питань науки вирішення рівняння Шредінгера (SE, Schrödinger equation) для атомів і молекул є однією з кінцевих цілей в хімії, фізиці і суміжних областях. SE є першим принципом нерелятивістської квантової механіки, рішення якої, звані хвильовими функціями, можуть надати будь-яку інформацію про електрони всередині атомів і молекул, пророкуючи їх фізико-хімічні властивості та хімічні реакції.
Доктор К. Сугісакі, проф. К. Сато, Т. Такуї та їхні колеги з університету Осаки (OCU) в Японії, знайшли новий квантовий алгоритм, що дозволяє виконувати розрахунки взаємодії з повною конфігурацією (Full-CI), що підходять для «хімічних реакцій», без експоненціального комбінаторного вибуху.
Full-CI дає точні численні рішення SE, які є нерозв'язними проблемами навіть для сучасних суперкомп'ютерів. Такий квантовий алгоритм сприяє прискоренню реалізації практичних квантових комп'ютерів. З 1929 року хімія і фізика прагнули передбачати складні хімічні реакції, застосовуючи підходи Full-CI, але досі вони ніколи не були успішними. Розрахунки Full-CI потенційно здатні прогнозувати хімічні реакції. Дослідники повідомляють про новий підхід до Full-CI, вперше реалізований на квантових комп'ютерах. Стаття опублікована у виданні ACS Central Science.
Вони пишуть: "Як стверджував Дірак в 1929 році, коли була заснована квантова механіка, точне застосування математичних теорій для вирішення SE призводить до занадто складних рівнянь, щоб їх можна було вирішити. Фактично, кількість змінних, які повинні бути визначені в методі Full-CI, зростає експоненційно по відношенню до розміру системи, і вона легко наштовхується на астрономічні цифри. Наприклад, розмірність розрахунку Full-CI для молекули бензолу C6H6, в якій беруть участь тільки 42 електрони, становить 1044, що неможливо зробити жодним суперкомп'ютером.
Гірше того, молекулярні системи в процесі дисоціації характеризуються надзвичайно складними електронними структурами (мультиконфігураційна природа), а відповідні численні розрахунки неможливі на будь-якому суперкомп'ютері ".
За даними дослідницької групи OCU, квантові комп'ютери сходять до пропозиції Фейнмана в 1982 році, що квантова механіка може бути змодельована самим комп'ютером, побудованим з квантових механічних елементів, які підпорядковуються квантовим механічним законам. Більше 20 років потому професором Аспуру і його колегами був запропонований квантовий алгоритм, здатний обчислювати енергії атомів і молекул не експоненціально, а поліноміально по відношенню до числа змінних систем, зробивши прорив в області квантової хімії на квантових комп'ютерах.
Коли квантовий алгоритм Аспуру застосовується до повномасштабних обчислень на квантових комп'ютерах, потрібні хороші наближені хвильові функції, близькі до точних хвильових функцій SE. В іншому випадку погані хвильові функції вимагають екстремальної кількості кроків повторних обчислень, щоб досягти точних, перешкоджаючи перевагам квантових обчислень.
Ця проблема стає надзвичайно серйозною при аналізі хімічних реакцій, що мають мультиконфігураційний характер через те, що електрони не беруть участі в хімічному зв'язку під час дисоціації зв'язку. Дослідники OCU вирішили цю проблему, одну з найбільш важкорозв'язних проблем у квантовій науці та хімії, і зробили прорив у реалізації нового квантового алгоритму, що генерує певні хвильові функції, звані функціями стану конфігурації (CSF) за час поліноміального обчислення.
Однак раніше запропоновані алгоритми квантових обчислень неминуче включають дисоціацію і освіту багатьох хімічних зв'язків і, як результат, генерують багато електронів, які не беруть участі в хімічних зв'язках, що ускладнює застосування квантових алгоритмів. Це називається «Квантова дилема».
Дослідники OCU ввели дирадикальний характер, yi (0 ауд 1), для вимірювання і характеристики природи електронних структур з відкритою оболонкою, і використовували дирадикальні символи для побудови багатоконфігураційних хвильових функцій, необхідних для хімічних реакцій, виконуючи обчислення Full-CI уздовж усього шляху реакції на квантових комп'ютерах.
Нова процедура не вимагає трудомістких обчислень, уникаючи експоненційного вибуху обчислення, вперше вирішуючи «квантову дилему».
"Це перший приклад практичного квантового алгоритму, який робить квантово-хімічні розрахунки для прогнозування шляхів хімічних реакцій, що реалізуються на квантових комп'ютерах, оснащених значним числом кубітів. Реалізація дає можливість практичного застосування квантово-хімічних розрахунків на квантових комп "ютерах у багатьох важливих галузях хімії та матеріалознавства. - кажуть дослідники.