Квантовая химия на квантовых компьютерах

Квантовые вычисления и технологии квантовой обработки информации уже привлекли внимание в разных областях исследований. Среди многих важных и фундаментальных вопросов науки решение уравнения Шредингера (SE, Schrödinger equation) для атомов и молекул является одной из конечных целей в химии, физике и смежных областях. SE является первым принципом нерелятивистской квантовой механики, решения которой, называемые волновыми функциями, могут предоставить любую информацию об электронах внутри атомов и молекул, предсказывая их физико-химические свойства и химические реакции.

Доктор К. Сугисаки, проф. К. Сато, Т. Такуи и их коллеги из университета Осаки (OCU) в Японии, нашли новый квантовый алгоритм, позволяющий выполнять расчеты взаимодействия с полной конфигурацией (Full-CI), подходящие для «химических реакций», без экспоненциального комбинаторного взрыва.

Full-CI дает точные численные решения SE, которые являются неразрешимыми проблемами даже для современных суперкомпьютеров. Такой квантовый алгоритм способствует ускорению реализации практических квантовых компьютеров. С 1929 года химия и физика стремились предсказывать сложные химические реакции, применяя подходы Full-CI, но до сих пор они никогда не были успешными. Расчеты Full-CI потенциально способны прогнозировать химические реакции. Исследователи сообщают о новом подходе к Full-CI, впервые реализованном на квантовых компьютерах. Статья опубликована в издании ACS Central Science.

Они пишут: «Как утверждал Дирак в 1929 году, когда была основана квантовая механика, точное применение математических теорий для решения SE приводит к слишком сложным уравнениям, чтобы их можно было решить. Фактически, число переменных, которые должны быть определены в методе Full-CI, растет экспоненциально по отношению к размеру системы, и она легко наталкивается на астрономические цифры. Например, размерность расчета Full-CI для молекулы бензола C6H6, в которой участвуют только 42 электрона, составляет 10⁴⁴, что невозможно сделать ни одним суперкомпьютером.

Хуже того, молекулярные системы в процессе диссоциации характеризуются чрезвычайно сложными электронными структурами (мультиконфигурационная природа), а соответствующие численные расчеты невозможны на любом суперкомпьютере».

По данным исследовательской группы OCU, квантовые компьютеры восходят к предложению Фейнмана в 1982 году, что квантовая механика может быть смоделирована самим компьютером, построенным из квантовых механических элементов, которые подчиняются квантовым механическим законам. Более 20 лет спустя профессором Аспуру и его коллегами был предложен квантовый алгоритм, способный вычислять энергии атомов и молекул не экспоненциально, а полиномиально по отношению к числу переменных систем, совершив прорыв в области квантовой химии на квантовых компьютерах.

Когда квантовый алгоритм Аспуру применяется к полномасштабным вычислениям на квантовых компьютерах, требуются хорошие приближенные волновые функции, близкие к точным волновым функциям изучаемого SE. В противном случае плохие волновые функции требуют экстремального количества шагов повторных вычислений, чтобы достичь точных, препятствуя преимуществам квантовых вычислений.

Эта проблема становится чрезвычайно серьезной при анализе химических реакций, имеющих мультиконфигурационный характер из-за того, что электроны не участвуют в химической связи во время диссоциации связи. Исследователи OCU решили эту проблему, одну из самых трудноразрешимых проблем в квантовой науке и химии, и совершили прорыв в реализации нового квантового алгоритма, генерирующего определенные волновые функции, называемые функциями состояния конфигурации (CSF) за время полиномиального вычисления.

Однако ранее предложенные алгоритмы квантовых вычислений неизбежно включают диссоциацию и образование многих химических связей и, как результат, генерируют много электронов, не участвующих в химических связях, что затрудняет применение квантовых алгоритмов. Это называется «Квантовая дилемма».

Исследователи OCU ввели дирадикальный характер, yi (0 ~ 1), для измерения и характеристики природы электронных структур с открытой оболочкой, и использовали дирадикальные символы для построения многоконфигурационных волновых функций, необходимых для химических реакций, выполняя вычисления Full-CI вдоль всего пути реакции на квантовых компьютерах.

Новая процедура не требует трудоемких вычислений, избегая экспоненциального взрыва вычисления, впервые решая «квантовую дилемму».

«Это первый пример практического квантового алгоритма, который делает квантово-химические расчеты для прогнозирования путей химических реакций, реализуемых на квантовых компьютерах, оснащенных значительным числом кубитов. Реализация дает возможность практического применения квантово-химических расчетов на квантовых компьютерах во многих важных областях химии и материаловедения.» — говорят исследователи.

Kenji Sugisaki et al, Quantum Chemistry on Quantum Computers: A Method for Preparation of Multiconfigurational Wave Functions on Quantum Computers without Performing Post-Hartree–Fock Calculations, ACS Central Science (2018). DOI: 10.1021/acscentsci.8b00788