Il nuovo algoritmo quantistico calcola direttamente la differenza di energia di atomi e molecole
La Osaka City University crea un algoritmo quantistico generale, eseguibile su computer quantistici, che calcola le differenze di energia molecolare senza considerare le energie totali rilevanti.
Come riportato di recente dalla rivista Physical Chemistry Chemical Physics, 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 stima bayesiana della differenza di fase, l’algoritmo rompe la convenzione non concentrandosi sulla differenza di energie totali calcolata dall’evoluzione pre e post-fase, ma seguendo l’evoluzione della differenza di energia stessa.
“Quasi tutti i problemi di chimica discutono della differenza di energia, non dell’energia totale della molecola stessa”, afferma il responsabile della ricerca e docente incaricato speciale Kenji Sugisaki, “inoltre, 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 dalla dimensione della molecola.”
Questa idea ha portato Sugisaki e il suo team a implementare un algoritmo quantistico che calcola direttamente le differenze di energia anziché le energie totali, creando un futuro in cui i computer quantistici scalabili o pratici ci consentono di condurre ricerche chimiche e sviluppo di materiali effettivi.
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Attualmente, i computer quantistici sono in grado di eseguire calcoli di interazione di configurazione completa (CI completo) che forniscono energie molecolari ottimali con un algoritmo quantistico chiamato stima della fase quantistica (QPE), osservando che il calcolo CI completo per sistemi molecolari di dimensioni considerevoli è intrattabile con qualsiasi supercomputer.
Il 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 – tempo- cambia evolutivamente la sua fase a seconda della sua energia totale. Nel QPE convenzionale, viene preparato 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⟩. Quindi, 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⟩|Ψ0 ⟩ + |1⟩|Ψ1 ⟩) ⁄ √2, dove |Ψ0 ⟩ e |Ψ1 ⟩ denotare la funzione d’onda relativa a ciascuno stato, rispettivamente, viene preparata e la differenza di fase tra |Ψ0 ⟩ e |Ψ1 ⟩ dopo l’evoluzione temporale della sovrapposizione fornisce 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 soggetta al rumore rispetto al calcolo individuale dell’energia totale di un atomo o di una molecola. Pertanto, l’algoritmo soddisfa la necessità di problemi di chimica che richiedono una precisione precisa in termini di energia” afferma il supervisore della ricerca e professore emerito Takeji Takui.
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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, Chem. Sci. 2021, 12, 2121–2132.). Questo algoritmo, tuttavia, 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.
Riferimento: “Una stima della differenza di fase bayesiana: un algoritmo quantistico generale per il calcolo diretto dei gap energetici” 2 settembre 2021, Physical Chemistry Chemical Physics.
Altri collaboratori includono Kazuo Toyota, Kazunobu Sato e Daisuke Shiomi, tutti affiliati al Dipartimento di chimica e scienza dei materiali molecolari della Graduate School of Science dell’Università di Osaka. Sugisaki è anche affiliato al progetto PRESTO della Japan Science and Technology Agency, “Quantum Software”. Takui è anche un amministratore della ricerca universitaria presso il dipartimento di supporto alla ricerca/centro di amministrazione della ricerca universitaria dell’Università della città di Osaka.
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