首次解決“量子困境”!量子計算機上的量子化學

時間:2019-01-02

量子計算和量子信息處理技術是近年來備受關注的新興領域。在眾多重要而基本的科學問題中,求解原子和分子的薛定諤方程(SE)是化學、物理及其相關領域的最終目標之一。SE是非相對論量子力學的第一原理,其解稱為波函數,可以提供原子和分子內電子的任何信息,預測它們的物理化學性質和化學反應。杉崎博士,教授,日本大阪市立大學(OCU)的K. Sato、T. Takui和同事們發現了一種新的量子算法,使我們能夠執行全構型相互作用(full - ci)計算,適用於“化學反應”,而不需要指數/組合爆炸。Full-CI給出了SE的精確數值解,這對於超級計算機來說也是一個棘手的問題。這種量子算法有助於加速實際量子計算機的實現。

首次解決“量子困境”!量子計算機上的量子化學

博科園-科學科普:自1929年以來,化學和物理一直試圖通過調用全ci方法來預測複雜的化學反應,但直到現在才成功。全ci計算具有預測化學反應的潛力。這項研究的研究人員報告了一種新的全ci方法首次在量子計算機上實現,這篇論文發表在ACS中央科學期刊上。正如狄拉克在1929年量子力學建立時所宣稱的那樣,精確地應用數學理論來求解SE,會導致方程過於複雜而無法求解。事實上,在全ci方法中需要確定的變量的數量隨著系統大小呈指數級增長,並且很容易遇到諸如指數爆炸之類的天文數字。例如,只涉及42個電子的苯分子C6H6的全ci計算維數為10^44,這是任何一臺超級計算機都無法處理的。

首次解決“量子困境”!量子計算機上的量子化學

圖片:CC0 Public Domain

更糟糕的是,離解過程中的分子系統具有極其複雜的電子結構(多構型性質),任何一臺超級計算機都無法進行相關的數值計算。根據OCU研究小組的說法,量子計算機可以追溯到1982年費曼的建議,即量子力學可以通過計算機本身來模擬,而計算機本身是由遵循量子力學定律的量子力學元素構成。20多年後,哈佛大學(university of Harvard)教授阿斯普魯-古奇克(Aspuru-Guzik,自2018年起多倫多大學[Toronto university]教授)和同事們提出了一種量子算法,能夠計算原子和分子的能量,而不是以指數的方式,而是以多項式的方式對系統變量的數量進行計算,在量子計算機上的量子化學領域取得了突破。

首次解決“量子困境”!量子計算機上的量子化學

將Aspuru量子算法應用於量子計算機上的全ci計算時,需要得到與所研究的SE的精確波函數接近的近似波函數。否則,壞的波函數需要極端多的重複計算步驟才能得到精確的波函數,從而阻礙了量子計算的優勢。由於電子在化學鍵解離過程中不參與化學鍵合,所以化學反應具有多構型的性質。OCU研究人員已經解決了這個量子科學和化學中最棘手的問題之一,並在實現一種新的量子算法方面取得了突破,該算法在多項式計算時間內生成稱為組態函數(CSFs)的特定波函數。然而,先前提出的量子計算算法不可避免地涉及到許多化學鍵的離解和形成,從而產生許多不參與化學鍵的電子,使量子算法難以應用。這就是所謂的“量子困境”。

首次解決“量子困境”!量子計算機上的量子化學

OCU研究人員引入了一個二自由基特徵yi(0 ~ 1)來測量和表徵開殼電子結構的性質,並利用其二自由基特徵構建化學反應所需的多構型波函數,在量子計算機上沿整個反應路徑進行全ci計算。這種新方法不需要耗時的後hartree - fock計算,避免了計算的指數爆炸,首次解決了“量子困境”。OCU小組寫道:這是一個實用的量子算法的第一個例子,該算法使用於預測化學反應路徑的量子化學計算能夠在配備了大量量子位元的量子計算機上實現。這一實現使量子化學計算在量子計算機上實際應用在化學和材料科學的許多重要領域。

博科園-科學科普|研究/來自:大阪市立大學

參考期刊文獻:《ACS Central Science》

論文DOI:10.1021/acscentsci.8b00788

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