L'informatica quantistica e la tecnologia di elaborazione delle informazioni quantistiche hanno attirato l'attenzione in campi emergenti di recente. Tra le tante questioni importanti e fondamentali della scienza, risolvere l'equazione di Schroedinger (SE) di atomi e molecole è uno degli obiettivi finali della chimica, fisica e i relativi campi. SE è il primo principio della meccanica quantistica non relativistica, le cui soluzioni, chiamate funzioni d'onda, può permettersi qualsiasi informazione sugli elettroni all'interno di atomi e molecole, predire le loro proprietà fisico-chimiche e le reazioni chimiche.

Dott. K. Sugisaki, prof. K. Sato e T. Takui e collaboratori, tutti i ricercatori della Osaka City University (OCU) in Giappone, hanno trovato un nuovo algoritmo quantistico che ci consente di eseguire calcoli di interazione di configurazione completa (Full-CI) adatti a "reazioni chimiche" senza esplosione esponenziale/combinatoria. Full-CI fornisce le soluzioni numeriche esatte di SE, che sono problemi intrattabili anche per i supercomputer. Un tale algoritmo quantistico contribuisce all'accelerazione dell'implementazione di computer quantistici pratici. Dal 1929, la chimica e la fisica hanno cercato di prevedere reazioni chimiche complesse invocando approcci Full-CI, ma non hanno mai avuto successo fino ad ora. I calcoli Full-CI sono potenzialmente in grado di prevedere reazioni chimiche. I ricercatori dell'attuale studio riportano un nuovo approccio Full-CI implementato per la prima volta su computer quantistici.

Il documento è pubblicato in Scienze Centrali ACS .

Loro scrivono, "Come affermò Dirac nel 1929 quando fu fondata la meccanica quantistica, l'esatta applicazione delle teorie matematiche per risolvere SE porta a equazioni troppo complicate per essere risolvibili. Infatti, il numero di variabili da determinare nel metodo Full-CI cresce esponenzialmente rispetto alla dimensione del sistema, e si imbatte facilmente in cifre astronomiche come l'esplosione esponenziale. Per esempio, la dimensione del calcolo Full-CI per la molecola di benzene C ₆ h ₆ , in cui sono coinvolti solo 42 elettroni, ammonta a 10 ⁴⁴ , che è impossibile da gestire con qualsiasi supercomputer. Peggio, i sistemi molecolari durante il processo di dissociazione sono caratterizzati da strutture elettroniche estremamente complesse (natura multiconfigurazionale), e calcoli numerici rilevanti sono impossibili su qualsiasi supercomputer."

Secondo il gruppo di ricerca OCU, I computer quantistici risalgono al suggerimento di Feynman nel 1982 secondo cui la meccanica quantistica può essere simulata da un computer stesso costruito con elementi della meccanica quantistica che obbediscono alle leggi della meccanica quantistica. Più di 20 anni dopo, Prof. Aspuru-Guzik, Università di Harvard (Toronto Univ. dal 2018) e collaboratori hanno proposto un algoritmo quantistico in grado di calcolare le energie di atomi e molecole in maniera non esponenziale ma polinomiale rispetto al numero delle variabili dei sistemi, fare un passo avanti nel campo della chimica quantistica sui computer quantistici.

Quando l'algoritmo quantistico di Aspuru viene applicato ai calcoli Full-CI sui computer quantistici, sono richieste buone funzioni d'onda approssimate vicine alle esatte funzioni d'onda di SE oggetto di studio. Altrimenti, le funzioni d'onda cattive richiedono un numero estremo di passaggi di calcoli ripetuti per raggiungere quelli esatti, ostacolare i vantaggi dell'informatica quantistica. Questo problema diventa estremamente serio per le analisi delle reazioni chimiche, che hanno una natura multiconfigurazionale a causa degli elettroni che non partecipano al legame chimico durante la dissociazione del legame. I ricercatori dell'OCU hanno affrontato questo problema, una delle questioni più intrattabili nella scienza quantistica e nella chimica, e ha fatto un passo avanti nell'implementazione di un nuovo algoritmo quantistico che genera particolari funzioni d'onda chiamate funzioni di stato di configurazione (CSF) in tempo di calcolo polinomiale.

Gli algoritmi precedentemente proposti per il calcolo quantistico, però, comportano inevitabilmente la dissociazione e la formazione di molti legami chimici, e come risultato, generare molti elettroni che non partecipano ai legami chimici, rendendo difficile l'applicazione degli algoritmi quantistici. Questo è chiamato il "dilemma quantistico".

I ricercatori dell'OCU hanno introdotto un carattere diradicale, sì ^{(0 ~ 1)} , misurare e caratterizzare la natura delle strutture elettroniche a guscio aperto, e hanno sfruttato i caratteri diradicali per costruire funzioni d'onda multiconfigurazionali richieste per reazioni chimiche, eseguendo i calcoli Full-CI lungo l'intero percorso di reazione su computer quantistici. Questa nuova procedura non richiede lunghi calcoli post-Hartree-Fock, evitando l'esplosione esponenziale del calcolo, risolvere per la prima volta il "Dilemma Quantico". Il gruppo OCU scrive, "Questo è il primo esempio di un algoritmo quantistico pratico che rende realizzabili i calcoli della chimica quantistica per la previsione dei percorsi di reazione chimica su computer quantistici dotati di un numero considerevole di qubit. L'implementazione consente applicazioni pratiche di calcoli chimici quantistici su computer quantistici in molti importanti campi di chimica e scienza dei materiali".