A computação quântica e a tecnologia de processamento de informações quânticas têm atraído a atenção em campos emergentes recentemente. Entre muitas questões importantes e fundamentais na ciência, resolver a equação de Schroedinger (SE) de átomos e moléculas é um dos objetivos finais da química, física e seus campos relacionados. SE é o primeiro princípio da mecânica quântica não relativística, cujas soluções, chamadas funções de onda, pode fornecer qualquer informação de elétrons dentro de átomos e moléculas, prever suas propriedades físico-químicas e reações químicas.

Dr. K. Sugisaki, Profs. K. Sato e T. Takui e colegas de trabalho, todos os pesquisadores da Osaka City University (OCU) no Japão, encontraram um novo algoritmo quântico que nos permite realizar cálculos de interação de configuração completa (Full-CI) adequados para "reações químicas" sem explosão exponencial / combinatória. Full-CI fornece as soluções numéricas exatas de SE, que são problemas intratáveis ​​mesmo para supercomputadores. Esse algoritmo quântico contribui para a aceleração da implementação de computadores quânticos práticos. Desde 1929, química e física têm procurado prever reações químicas complexas invocando abordagens Full-CI, mas eles nunca tiveram sucesso até agora. Cálculos de CI completo são potencialmente capazes de prever reações químicas. Os pesquisadores do estudo atual relatam uma nova abordagem Full-CI implementada em computadores quânticos pela primeira vez.

O artigo é publicado em ACS Central Science .

Eles escrevem, "Como Dirac afirmou em 1929, quando a mecânica quântica foi estabelecida, a aplicação exata de teorias matemáticas para resolver SE leva a equações muito complicadas para serem resolvidas. Na verdade, o número de variáveis ​​a serem determinadas no método Full-CI cresce exponencialmente em relação ao tamanho do sistema, e facilmente atinge números astronômicos, como explosão exponencial. Por exemplo, a dimensão do cálculo Full-CI para a molécula C de benzeno ₆ H ₆ , em que apenas 42 elétrons estão envolvidos, ascende a 10 ⁴⁴ , o que é impossível de ser tratado por qualquer supercomputador. Pior, sistemas moleculares durante o processo de dissociação são caracterizados por estruturas eletrônicas extremamente complexas (natureza multiconfiguracional), e cálculos numéricos relevantes são impossíveis em qualquer supercomputador. "

De acordo com o grupo de pesquisa da OCU, os computadores quânticos remontam à sugestão de Feynman em 1982 de que a mecânica quântica pode ser simulada por um computador construído com elementos da mecânica quântica que obedecem às leis da mecânica quântica. Mais de 20 anos depois, Prof. Aspuru-Guzik, Harvard Univ. (Toronto Univ. Desde 2018) e colegas de trabalho propuseram um algoritmo quântico capaz de calcular as energias dos átomos e moléculas não exponencialmente, mas polinomialmente em relação ao número de variáveis ​​dos sistemas, fazendo um avanço no campo da química quântica em computadores quânticos.

Quando o algoritmo quântico de Aspuru é aplicado aos cálculos Full-CI em computadores quânticos, são necessárias boas funções de onda aproximadas próximas às funções de onda exatas do SE em estudo. De outra forma, as funções de ondas ruins precisam de um número extremo de etapas de cálculos repetidos para chegar aos exatos, dificultando as vantagens da computação quântica. Este problema se torna extremamente sério para as análises de reações químicas, que têm uma natureza multiconfiguracional devido aos elétrons não participarem da ligação química durante a dissociação da ligação. Os pesquisadores da OCU resolveram esse problema, uma das questões mais intratáveis ​​na ciência quântica e química, e fez um avanço na implementação de um novo algoritmo quântico gerando funções de onda particulares chamadas funções de estado de configuração (CSFs) em tempo de computação polinomial.

Os algoritmos propostos anteriormente para computação quântica, Contudo, inevitavelmente envolvem a dissociação e formação de muitas ligações químicas, e como resultado, gerar muitos elétrons que não participam de ligações químicas, tornando os algoritmos quânticos difíceis de aplicar. Isso é denominado "Dilema Quântico".

Os pesquisadores da OCU introduziram um personagem diradical, sim ^{(0 ~ 1)} , para medir e caracterizar a natureza das estruturas eletrônicas de shell aberto, e exploraram os caracteres diradicais para construir funções de onda multiconfiguracionais necessárias para reações químicas, executar os cálculos Full-CI ao longo de toda a via de reação em computadores quânticos. Este novo procedimento não requer cálculos pós-Hartree-Fock demorados, evitando a explosão exponencial do cálculo, resolvendo o "Dilema Quântico" pela primeira vez. O grupo OCU escreve, "Este é o primeiro exemplo de um algoritmo quântico prático que faz cálculos de química quântica para prever vias de reação química realizáveis ​​em computadores quânticos equipados com um número considerável de qubits. A implementação possibilita aplicações práticas de cálculos de química quântica em computadores quânticos em muitos campos importantes de química e ciência dos materiais. "