新貝葉斯量子算法直接計算原子和分子的能量差

大阪。正如《物理化學(xué)化學(xué)物理學(xué)》雜志最新報道的那樣，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實現(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)。”這個想法促使杉崎和他的團隊實施了一種直接計算能量差異而不是總能量的量子算法，創(chuàng)造了一個可擴展或?qū)嵱玫牧孔佑嬎銠C使我們能夠進行實際化學(xué)研究和材料開發(fā)的未來。

目前，量子計算機能夠執(zhí)行全構(gòu)型相互作用 (full-CI) 計算，通過稱為量子相位估計 (QPE) 的量子算法提供最佳分子能量，并指出對于相當(dāng)大的分子系統(tǒng)的全 CI 計算是難以處理的。超級計算機。QPE 依賴于這樣一個事實：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——時間——根據(jù)它的總能量進化地改變它的階段。在傳統(tǒng)的QPE中，準(zhǔn)備了量子疊加態(tài)(|0⟩|Ψ⟩+|1⟩|Ψ⟩) ⁄ √2，并且引入受控時間演化算子使得 |Ψ⟩ 僅在第一個量子位指定 |1⟩ 狀態(tài)時才隨時間演化。因此，|1⟩ 狀態(tài)在時間上創(chuàng)造了進化后的量子階段，而|0⟩ 狀態(tài)創(chuàng)造了進化前的量子階段。進化前和進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 推廣到直接計算兩個相關(guān)量子態(tài)之間總能量的差異。在新實現(xiàn)的稱為貝葉斯相位差估計 (BPDE) 的量子算法中，兩個波函數(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⟩ 疊加后的時間演化直接給出了所涉及的兩個波函數(shù)之間總能量的差異。“我們強調(diào)，該算法遵循能量差異隨時間的演變，與單獨計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教授Takeji Takui。

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