Conforme recentemente relatado pelo jornal Físico Química Física Química , pesquisadores da Escola de Graduação em Ciências da Universidade da Cidade de Osaka desenvolveram um algoritmo quântico que pode compreender os estados eletrônicos de sistemas atômicos ou moleculares calculando diretamente a diferença de energia em seus estados relevantes. Implementado como uma estimativa diferente de fase Bayesiana, o algoritmo quebra a convenção por não focar na diferença nas energias totais calculadas a partir da evolução pré e pós-fase, mas seguindo a evolução da própria diferença de energia.

"Quase todos os problemas de química discutem a diferença de energia, não a energia total da própria molécula, "diz o líder de pesquisa e conferencista especialmente nomeado Kenji Sugisaki, "tb, moléculas com átomos pesados ​​que aparecem na parte inferior da tabela periódica têm grandes energias totais, mas o tamanho da diferença de energia discutida em química, como estados de excitação eletrônicos e energias de ionização, não depende muito do tamanho da molécula. "Essa ideia levou Sugisaki e sua equipe a implementar um algoritmo quântico que calcula diretamente as diferenças de energia em vez das energias totais, criando um futuro onde os computadores quânticos escaláveis ​​ou práticos nos permitam realizar pesquisas químicas reais e desenvolvimento de materiais.

Atualmente, os computadores quânticos são capazes de realizar cálculos de interação de configuração completa (CI completo) que fornecem energias moleculares ideais com um algoritmo quântico chamado estimativa de fase quântica (QPE), observando que o cálculo de CI completo para sistemas moleculares consideráveis ​​é intratável com quaisquer supercomputadores. QPE depende do fato de que uma função de onda, | Ψ⟩ que denota a descrição matemática do estado quântico de um sistema microscópico - neste caso, a solução matemática da equação de Schrödinger para o sistema microscópico, como um átomo ou molécula - muda evolutivamente com o tempo sua fase dependendo de sua energia total. No QPE convencional, o estado de superposição quântica (| 0⟩ | Ψ⟩ + | 1⟩ | Ψ⟩) ⁄ √2 é preparado, e a introdução de um operador de evolução de tempo controlado faz | Ψ⟩ evoluir no tempo apenas quando o primeiro qubit designa o estado | 1⟩. Assim, o estado | 1⟩ cria uma fase quântica da pós-evolução no tempo enquanto o estado | 0⟩ aquela da pré-evolução. A diferença de fase entre as evoluções pré e pós fornece a energia total do sistema.

Os pesquisadores da Osaka City University generalizam o QPE convencional para o cálculo direto da diferença na energia total entre dois estados quânticos relevantes. No algoritmo quântico recém-implementado denominado estimativa de diferença de fase Bayesiana (BPDE), a superposição das duas funções de onda, (| 0⟩ | Ψ ₀ ⟩ + | 1⟩ | Ψ ₁ ⟩) ⁄ √2, onde | Ψ ₀ ⟩ E | Ψ ₁ ⟩ Denotam a função de onda relevante para cada estado, respectivamente, está preparado, e a diferença na fase entre | Ψ ₀ ⟩ E | Ψ ₁ ⟩ Após o tempo de evolução da superposição dá diretamente a diferença na energia total entre as duas funções de onda envolvidas. “Enfatizamos que o algoritmo segue a evolução da diferença de energia ao longo do tempo, que é menos sujeito a ruído do que calcular individualmente a energia total de um átomo ou molécula. Assim, o algoritmo atende à necessidade de problemas de química que exigem precisão precisa na energia ", afirma o supervisor de pesquisa e professor emérito Takeji Takui.

Anteriormente, este grupo de pesquisa desenvolveu um algoritmo quântico que calcula diretamente a diferença de energia entre estados eletrônicos (estados de spin) com diferentes números quânticos de spin (K. Sugisaki, K. Toyota, K. Sato, D. Shiomi, T. Takui, Chem. Sci. 2021, 12 , 2121–2132.). Este algoritmo, Contudo, requer mais qubits do que o QPE convencional e não pode ser aplicado ao cálculo da diferença de energia entre os estados eletrônicos com números quânticos de spin iguais, o que é importante para a atribuição espectral de espectros de absorção de UV-visível. O algoritmo BPDE desenvolvido no estudo supera esses problemas, tornando-o um algoritmo quântico altamente versátil.