À gauche : L’énorme différence de phase entre |0⟩|Ψ⟩ et exp(-iEt)|1⟩|Ψ⟩ donne la somme de l’énergie totale E. La flèche courbe en violet indique l’évolution de la phase de |Ψ⟩ dans le temps. A droite : La grande différence de phase entre exp(-iE0t)|0⟩|Ψ0 ⟩ et exp(-iE1t)|1⟩|Ψ1 ⟩ donne directement l’énorme différence d’énergie E1 – E0. Les flèches courbes en bleu et en violet indiquent respectivement l’évolution de phase de |Ψ0 et celle de |Ψ1 ⟩. Crédit : K. Sugisaki, K. Sato et T. Takui
L’Université de la ville d’Osaka crée un algorithme quantique général, exécutable sur des ordinateurs quantiques, qui calcule les différences d’énergie moléculaire sans tenir compte des énergies totales pertinentes.
Comme récemment rapporté par le journal Chimie Physique Physique Chimique , des chercheurs de la Graduate School of Science de l’Université d’Osaka ont développé un algorithme quantique qui comprendra les états électroniques des systèmes atomiques ou moléculaires en calculant directement la différence d’énergie à l’intérieur de leurs états pertinents. Implémenté comme une estimation bayésienne différente de phase, l’algorithme rompt avec les conventions en ne se concentrant pas sur la différence d’énergies totales calculée à partir de l’évolution pré- et post-phase, mais en suivant l’évolution de la différence d’énergie elle-même.
“Presque tous les problèmes de chimie discutent de la différence d’énergie, peut-être pas de l’énergie totale de la molécule elle-même”, explique le responsable de la recherche et conférencier spécialement nommé Kenji Sugisaki, “également des molécules avec des atomes lourds qui apparaissent dans la partie basse de la salle à manger périodique. table ont de grandes énergies totales, mais la taille de l’énorme différence d’énergie discutée en chimie, comme les états d’excitation électroniques et les énergies d’ionisation, ne dépend pas beaucoup de la taille de la molécule. Cette idée a conduit Sugisaki et son équipe à mettre en œuvre un algorithme quantique qui calcule directement les différences d’énergie au lieu des énergies totales, créant un avenir où les ordinateurs quantiques évolutifs ou pratiques nous permettent d’entreprendre de véritables recherches chimiques et le développement de matériaux.
Actuellement, les ordinateurs quantiques sont capables d’effectuer les calculs d’interaction de configuration complète (IC complet) qui permettent des énergies moléculaires optimales avec un algorithme quantique appelé estimation de phase quantique (QPE), notant que le calcul d’IC complet pour des systèmes moléculaires importants est insoluble avec n’importe quel supercalculateurs. QPE repose sur le fait d’une fonction d’onde, |Ψ⟩ qui dénote la description mathématique de l’état quantique d’un système microscopique – dans ce cas la solution mathématique de l’équation de Schrödinger pour le système microscopique tel qu’un atome ou molécule – le temps change sa phase en fonction de son énergie totale. Dans le QPE classique, l’état de superposition quantique (|0⟩|Ψ⟩+|1⟩|Ψ⟩) ⁄ √2 est préparé, et l’introduction d’un opérateur d’évolution temporelle contrôlé fait évoluer |Ψ⟩ dans le temps uniquement lorsque le très le premier qubit désigne l’état |1⟩. Par conséquent, l’état |1⟩ crée une phase quantique de la post-évolution dans le temps tandis que l’état |0⟩ indique celle de la pré-évolution. La différence de phase entre vos pré- et post-évolutions donne l’énergie totale du système.
Les chercheurs de l’Université de la ville d’Osaka généralisent le QPE conventionnel au calcul direct de la différence de l’énergie totale totale entre deux états quantiques pertinents. Dans le nouvel algorithme quantique appelé estimation de différence de phase bayésienne (BPDE), la superposition des deux fonctions d’onde, (|0⟩|Ψ 0 + | 1⟩ | Ψ 1 ⟩) ⁄ √2, où |Ψ 0 et |Ψ 1 ⟩ désigne la fonction d’onde fortement liée à chaque état, respectivement, est préparée, et la différence de phase entre |Ψ 0 et |Ψ 1 suivant l’évolution temporelle de la superposition donne directement la différence d’énergie totale entre vos deux fonctions d’onde impliquées. «Nous soulignons que l’algorithme suit l’évolution de la grande différence d’énergie au fil du temps, ce qui est moins sujet au bruit que le calcul individuel de l’énergie totale totale d’un atome ou d’une molécule. Ainsi, l’algorithme répond au besoin de problèmes de chimie qui nécessitent des précision en énergie. » déclare le directeur de recherche et professeur émérite Takeji Takui.
Auparavant, ce groupe de recherche a développé un algorithme quantique qui calcule directement la différence d’énergie entre les états électroniques (états de spin) avec différents nombres quantiques de spin (K. Sugisaki, K. Toyota, K. Sato, D. Shiomi, T. Takui, Chem. Sci. 2021, 12 , 2121–2132. ). Cet algorithme, cependant, nécessite plus de qubits par rapport au QPE conventionnel et ne peut pas être appliqué au calcul de la différence de vitalité entre vos états électroniques avec des nombres quantiques de spin égaux, ce qui est très important pour l’attribution spectrale des spectres d’absorption UV-visible. L’algorithme BPDE développé dans l’étude surmonte ces problèmes, ce qui en fait un algorithme quantique très polyvalent.
Référence : « A Bayesian phase big difference estimation : a general quantum algorithm for the direct calcul of energy gaps » 2 septembre 2021, Chimie Physique Physique Chimique .
Parmi les autres contributeurs figurent Kazuo Toyota, Kazunobu Sato et Daisuke Shiomi, dont la plupart sont associés au Département de chimie et de science des matériaux moléculaires de la Graduate School of Science de l’Université d’Osaka. Sugisaki peut être affilié au projet PRESTO de l’Agence japonaise des sciences et de la technologie, « Quantum Software. ” Takui est également administrateur de recherche universitaire au département de soutien à la recherche/centre d’administration de la recherche universitaire de l’université de la ville d’Osaka.
