大阪。正如《物理化學(xué)化學(xué)物理學(xué)》雜志最新報(bào)道的那樣，大阪市立大學(xué)科學(xué)研究生院的研究人員開發(fā)了一種量子算法，可以通過直接計(jì)算原子或分子系統(tǒng)的相關(guān)狀態(tài)的能量差來了解它們的電子狀態(tài)。作為貝葉斯相位差估計(jì)實(shí)現(xiàn)，該算法打破常規(guī)，不關(guān)注從相位前和相位后演化計(jì)算的總能量差異，而是跟蹤能量差異本身的演化。
“幾乎所有的化學(xué)問題都討論能量差異，而不是分子本身的總能量，”研究負(fù)責(zé)人兼特聘講師 Kenji Sugisaki 說，“此外，出現(xiàn)在元素周期表下部的具有重原子的分子具有大總能量，但化學(xué)中討論的能量差異的大小，例如電子激發(fā)態(tài)和電離能，與分子的大小無關(guān)。”這個(gè)想法促使杉崎和他的團(tuán)隊(duì)實(shí)施了一種直接計(jì)算能量差異而不是總能量的量子算法，創(chuàng)造了一個(gè)可擴(kuò)展或?qū)嵱玫牧孔佑?jì)算機(jī)使我們能夠進(jìn)行實(shí)際化學(xué)研究和材料開發(fā)的未來。
目前，量子計(jì)算機(jī)能夠執(zhí)行全構(gòu)型相互作用 (full-CI) 計(jì)算，通過稱為量子相位估計(jì) (QPE) 的量子算法提供最佳分子能量，并指出對(duì)于相當(dāng)大的分子系統(tǒng)的全 CI 計(jì)算是難以處理的。超級(jí)計(jì)算機(jī)。QPE 依賴于這樣一個(gè)事實(shí)：波函數(shù) |Ψ⟩ 表示微觀系統(tǒng)的量子態(tài)的數(shù)學(xué)描述——在這種情況下，是微觀系統(tǒng)(如原子或分子)的薛定諤方程的數(shù)學(xué)解——時(shí)間——根據(jù)它的總能量進(jìn)化地改變它的階段。在傳統(tǒng)的QPE中，準(zhǔn)備了量子疊加態(tài)(|0⟩|Ψ⟩+|1⟩|Ψ⟩) ⁄ √2，并且引入受控時(shí)間演化算子使得 |Ψ⟩ 僅在第一個(gè)量子位指定 |1⟩ 狀態(tài)時(shí)才隨時(shí)間演化。因此，|1⟩ 狀態(tài)在時(shí)間上創(chuàng)造了進(jìn)化后的量子階段，而|0⟩ 狀態(tài)創(chuàng)造了進(jìn)化前的量子階段。進(jìn)化前和進(jìn)化后之間的相位差給出了系統(tǒng)的總能量。
大阪市立大學(xué)的研究人員將傳統(tǒng)的 QPE 推廣到直接計(jì)算兩個(gè)相關(guān)量子態(tài)之間總能量的差異。在新實(shí)現(xiàn)的稱為貝葉斯相位差估計(jì) (BPDE) 的量子算法中，兩個(gè)波函數(shù)的疊加 (|0⟩|Ψ0⟩ + |1⟩|Ψ1⟩) ⁄ √2，其中 |Ψ0⟩ 和|Ψ1⟩ 分別表示與各態(tài)相關(guān)的波函數(shù)已準(zhǔn)備好， |Ψ0⟩ 和 |Ψ1之間的相位差⟩ 疊加后的時(shí)間演化直接給出了所涉及的兩個(gè)波函數(shù)之間總能量的差異。“我們強(qiáng)調(diào)，該算法遵循能量差異隨時(shí)間的演變，與單獨(dú)計(jì)算原子或分子的總能量相比，它更不容易產(chǎn)生噪音。因此，該算法適合需要精確能量準(zhǔn)確度的化學(xué)問題。”國家研究主管和名譽(yù)教授Takeji Takui。
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