A sinistra:la differenza di fase tra |0⟩|Ψ⟩ ed exp(-iEt)|1⟩|Ψ⟩ fornisce l'energia totale E . La freccia curva in viola indica l'evoluzione della fase di |Ψ⟩ nel tempo. A destra:la differenza di fase tra exp(-iE0t)|0⟩|Ψ0 ⟩ ed exp(-iE1t)|1⟩|Ψ1 ⟩ fornisce la differenza di energia E1 - E0, direttamente. Le frecce curve in blu e in viola indicano l'evoluzione di fase di |Ψ0 ⟩ e quella di |Ψ1 ⟩, rispettivamente. Credito:K. Sugisaki, K. Sato e T. Takui
Come appena riportato dalla rivista Chimica Fisica Fisica Chimica , i ricercatori della Graduate School of Science dell'Università di Osaka City hanno sviluppato un algoritmo quantistico in grado di comprendere gli stati elettronici dei sistemi atomici o molecolari calcolando direttamente la differenza di energia nei loro stati rilevanti. Implementato come una stima diversa della fase bayesiana, l'algoritmo rompe la convenzione non concentrandosi sulla differenza delle energie totali calcolate dall'evoluzione pre e post fase, ma seguendo l'evoluzione della differenza energetica stessa.
"Quasi tutti i problemi di chimica discutono della differenza di energia, non l'energia totale della molecola stessa, " afferma il responsabile della ricerca e docente incaricato Kenji Sugisaki, "anche, le molecole con atomi pesanti che compaiono nella parte inferiore della tavola periodica hanno grandi energie totali, ma la dimensione della differenza di energia discussa in chimica, come gli stati di eccitazione elettronica e le energie di ionizzazione, non dipende molto dalle dimensioni della molecola." Questa idea ha portato Sugisaki e il suo team a implementare un algoritmo quantistico che calcola direttamente le differenze di energia invece delle energie totali, creare un futuro in cui i computer quantistici scalabili o pratici ci consentano di condurre ricerche chimiche e sviluppo di materiali effettivi.
Attualmente, i computer quantistici sono in grado di eseguire i calcoli dell'interazione della configurazione completa (CI completo) che forniscono energie molecolari ottimali con un algoritmo quantistico chiamato stima della fase quantistica (QPE), notando che il calcolo dell'IC completo per sistemi molecolari di grandi dimensioni è intrattabile con qualsiasi supercomputer. QPE si basa sul fatto che una funzione d'onda, |Ψ⟩ che denota la descrizione matematica dello stato quantistico di un sistema microscopico - in questo caso la soluzione matematica dell'equazione di Schrödinger per il sistema microscopico come un atomo o una molecola - cambia nel tempo la sua fase in base alla sua energia totale. Nel QPE convenzionale, si prepara lo stato di sovrapposizione quantistica (|0⟩|Ψ⟩+|1⟩|Ψ⟩) ⁄ √2, e l'introduzione di un operatore di evoluzione temporale controllata fa evolvere |Ψ⟩ nel tempo solo quando il primo qubit designa lo stato |1⟩. Così, lo stato |1⟩ crea una fase quantistica della post-evoluzione nel tempo mentre lo stato |0⟩ quella della pre-evoluzione. La differenza di fase tra la pre e la post-evoluzione fornisce l'energia totale del sistema.
I ricercatori dell'Università della città di Osaka generalizzano il QPE convenzionale al calcolo diretto della differenza nell'energia totale tra due stati quantistici rilevanti. Nel nuovo algoritmo quantistico chiamato stima della differenza di fase bayesiana (BPDE), la sovrapposizione delle due funzioni d'onda, (|0⟩|Ψ 0 + |1⟩|Ψ 1 ) ⁄ √2, dove |Ψ 0 e |Ψ 1 denotare la funzione d'onda relativa a ciascuno stato, rispettivamente, è preparato, e la differenza di fase tra |Ψ 0 e |Ψ 1 dopo l'evoluzione temporale della sovrapposizione dà direttamente la differenza di energia totale tra le due funzioni d'onda coinvolte. "Sottolineiamo che l'algoritmo segue l'evoluzione della differenza di energia nel tempo, che è meno soggetto al rumore rispetto al calcolo individuale dell'energia totale di un atomo o di una molecola. Così, l'algoritmo soddisfa la necessità di problemi di chimica che richiedono una precisione precisa nell'energia", afferma il supervisore della ricerca e professore emerito Takeji Takui.
In precedenza, questo gruppo di ricerca ha sviluppato un algoritmo quantistico che calcola direttamente la differenza di energia tra stati elettronici (stati di spin) con diversi numeri quantici di spin (K. Sugisaki, K.Toyota, K. Sato, D. Shiomi, T. Takui, chimica. Sci. 2021, 12 , 2121-2132.). Questo algoritmo, però, richiede più qubit rispetto al QPE convenzionale e non può essere applicato al calcolo della differenza di energia tra gli stati elettronici con numeri quantici di spin uguali, che è importante per l'assegnazione spettrale degli spettri di assorbimento UV-visibile. L'algoritmo BPDE sviluppato nello studio supera questi problemi, rendendolo un algoritmo quantistico altamente versatile.
