Os computadores quânticos têm recebido muita atenção recentemente, pois se espera que resolvam certos problemas que estão fora das capacidades dos computadores normais. O principal para esses problemas é determinar os estados eletrônicos de átomos e moléculas para que possam ser usados ​​de forma mais eficaz em uma variedade de indústrias - desde projetos de baterias de íons de lítio até tecnologias in silico no desenvolvimento de medicamentos. Uma forma comum de os cientistas abordarem esse problema é calcular as energias totais dos estados individuais de uma molécula ou átomo e, em seguida, determinar a diferença de energia entre esses estados. Na natureza, muitas moléculas crescem em tamanho e complexidade, e o custo para calcular esse fluxo constante está além da capacidade de qualquer computador tradicional ou de algoritmos quânticos atualmente estabelecidos. Portanto, as previsões teóricas das energias totais só foram possíveis se as moléculas não forem consideráveis ​​e isoladas de seu ambiente natural.

"Para que os computadores quânticos sejam uma realidade, seus algoritmos devem ser robustos o suficiente para prever com precisão os estados eletrônicos de átomos e moléculas, como eles existem na natureza, "declaram Kenji Sugisaki e Takeji Takui da Escola de Graduação em Ciências, Universidade da Cidade de Osaka.

Em dezembro de 2020, Sugisaki e Takui, junto com seus colegas, liderou uma equipe de pesquisadores para desenvolver um algoritmo quântico que eles chamam de calculadora de parâmetro de acoplamento Bayesian eXchange com funções de onda de simetria quebrada (BxB), que prevê os estados eletrônicos de átomos e moléculas calculando diretamente as diferenças de energia. Eles observaram que as diferenças de energia nos átomos e moléculas permanecem constantes, independentemente de quão complexos e grandes eles se tornem, apesar de suas energias totais crescerem com o tamanho do sistema. "Com BxB, evitamos a prática comum de calcular as energias totais e visamos as diferenças de energia diretamente, manter os custos de computação dentro do tempo polinomial, "afirmam." Desde então, nosso objetivo é melhorar a eficiência de nosso software BxB para que ele possa prever os estados eletrônicos de átomos e moléculas com precisão química. "

Usando os custos de computação de um algoritmo conhecido chamado Quantum Phase Estimation (QPE) como referência, "calculamos as energias de ionização vertical de pequenas moléculas como o CO, O ₂ , CN, F ₂ , H ₂ O, NH ₃ dentro de 0,1 elétron volts (eV) de precisão, "afirma a equipe, usando metade do número de qubits, trazendo o custo de cálculo em paridade com QPE.

Suas descobertas serão publicadas online na edição de março do Journal of Physical Chemistry Letters .

A energia de ionização é uma das propriedades físicas mais fundamentais dos átomos e moléculas e um indicador importante para a compreensão da força e das propriedades das ligações e reações químicas. Resumidamente, prever com precisão a energia de ionização nos permite usar produtos químicos além da norma atual. No passado, era necessário calcular as energias dos estados neutro e ionizado, mas com o algoritmo quântico BxB, a energia de ionização pode ser obtida em um único cálculo sem inspecionar as energias totais individuais dos estados neutro e ionizado. "A partir de simulações numéricas do circuito lógico quântico em BxB, descobrimos que o custo computacional para ler a energia de ionização é constante, independentemente do número atômico ou do tamanho da molécula, "afirma a equipe, "e que a energia de ionização pode ser obtida com uma alta precisão de 0,1 eV após modificar o comprimento do circuito lógico quântico para ser inferior a um décimo do QPE."

Com o desenvolvimento de hardware de computador quântico, Sugisaki e Takui, junto com sua equipe, estão esperando que o algoritmo quântico BxB execute cálculos de energia de alta precisão para moléculas grandes que não podem ser tratadas em tempo real com computadores convencionais.