Max Home IndustryИсследователи улучшают свой недавно созданный квантовый алгоритм, доведя его до одной десятой стоимости вычислений квантовой оценки фазы, и используют его для прямого вычисления энергии вертикальной ионизации легких атомов и молекул, таких как CO, O 2 < / sub>, CN, F 2 , H 2 O, NH 3 с точностью до 0,1 электронвольта.
Квантовым компьютерам в последнее время уделяется много внимания, поскольку ожидается, что они решат определенные проблемы, выходящие за рамки возможностей обычных компьютеров. Первоочередной задачей этих проблем является определение электронных состояний атомов и молекул, чтобы их можно было более эффективно использовать в различных отраслях промышленности — от конструкции литий-ионных батарей до технологий in silico при разработке лекарств. Обычно ученые подходят к этой проблеме, вычисляя полные энергии отдельных состояний молекулы или атома, а затем определяют разницу в энергии между этими состояниями. В природе многие молекулы растут в размере и сложности, и стоимость расчета этого постоянного потока превышает возможности любого традиционного компьютера или создания квантовых алгоритмов в настоящее время. Следовательно, теоретические предсказания полной энергии были возможны только в том случае, если молекулы были небольшого размера и изолированы от их естественного окружения.
«Чтобы квантовые компьютеры стали реальностью, их алгоритмы должны быть достаточно надежными, чтобы точно предсказывать электронные состояния атомов и молекул в том виде, в каком они существуют в природе», — заявляют Кенджи Сугисаки и Такеджи Такуи из Высшей школы естественных наук в Осаке. Городской университет.
В декабре 2020 года Сугисаки и Такуи вместе со своими коллегами возглавили группу исследователей для разработки квантового алгоритма, который они назвали калькулятором параметров связи байесовского обмена с волновыми функциями нарушенной симметрии (BxB), который предсказывает электронные состояния атомов. и молекулы путем прямого вычисления разницы энергий. Они отметили, что разница в энергии в атомах и молекулах остается постоянной, независимо от того, насколько сложными и большими они становятся, несмотря на то, что их общая энергия растет с увеличением размера системы. «Используя BxB, мы избегаем обычной практики вычисления общей энергии и напрямую ориентировались на разницу энергий, сохраняя затраты на вычисления в пределах полиномиального времени», — заявляют они. «С тех пор нашей целью было повысить эффективность нашего программного обеспечения BxB, чтобы оно могло предсказывать электронное состояние атомов и молекул с химической точностью».
Используя затраты на вычисления известного алгоритма квантовой оценки фазы (QPE) в качестве эталона, «мы рассчитали энергии вертикальной ионизации малых молекул, таких как CO, O 2 , CN, F 2 , H 2 O, NH 3 с точностью до 0,1 электронвольта (эВ) «, — заявляет команда, используя половину количества кубитов, в результате чего стоимость вычислений сравнялась с QPE.
Их результаты будут опубликованы в мартовском выпуске журнала The Journal of Physical Chemistry Letters .
Энергия ионизации — одно из самых фундаментальных физических свойств атомов и молекул и важный показатель для понимания силы и свойств химических связей и реакций. Короче говоря, точное прогнозирование энергии ионизации позволяет нам использовать химические вещества сверх существующих норм. Раньше приходилось рассчитывать энергии нейтрального и ионизированного состояний, но с помощью квантового алгоритма BxB энергия ионизации может быть получена за один расчет без проверки отдельных полных энергий нейтрального и ионизированного состояний. «Из численного моделирования квантовой логической схемы в BxB мы обнаружили, что вычислительные затраты на считывание энергии ионизации постоянны независимо от атомного номера или размера молекулы», — заявляет команда, — «и что энергия ионизации может быть полученным с высокой точностью 0,1 эВ после изменения длины квантовой логической схемы, чтобы она была меньше одной десятой QPE ». (См. Изображение для деталей модификации)
С развитием аппаратного обеспечения квантового компьютера Сугисаки и Такуи вместе со своей командой ожидают, что квантовый алгоритм BxB будет выполнять высокоточные вычисления энергии для больших молекул, которые нельзя обрабатывать в реальном времени с помощью обычных компьютеров.