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CIENCIA. Nuevo algoritmo cuántico calcula directamente la diferencia energética entre átomos y moléculas

 

Izquierda: La diferencia de fase entre | 0⟩ | Ψ⟩ y exp (-iEt) | 1⟩ | Ψ⟩ proporciona la energía total E. La flecha curva en violeta indica la evolución de fase de | Ψ⟩ en el tiempo. Derecha: La diferencia de fase entre exp (-iE0t) | 0⟩ | Ψ0⟩ y exp (-iE1t) | 1⟩ | Ψ1⟩ proporciona la diferencia de energía E1 - E0, directamente. Las flechas curvas en azul y violeta indican la evolución de fase de | Ψ0⟩ y la de | Ψ1⟩, respectivamente. Fuente: K. Sugisaki, K. Sato y T. Takui

La Universidad de la Ciudad de Osaka ha desarrollado un algoritmo cuántico general, ejecutable en computadoras cuánticas, que calcula las diferencias de energía molecular sin considerar las energías totales relevantes.

Como informó recientemente la revista  Physical Chemistry Chemical Physics , los investigadores de la Escuela de Graduados de Ciencias de la Universidad de la Ciudad de Osaka han desarrollado un algoritmo cuántico que puede comprender los estados electrónicos de los sistemas atómicos o moleculares calculando directamente la diferencia de energía en sus estados relevantes. 

Implementado como una estimación de diferencia de fase bayesiana, el algoritmo rompe con la convención al no enfocarse en la diferencia en las energías totales calculadas a partir de la evolución pre y post fase, sino siguiendo la evolución de la diferencia de energía en sí.

“Casi todos los problemas de química discuten la diferencia de energía, no la energía total de la molécula en sí”, dice Kenji Sugisaki, líder de la investigación y conferenciante especialmente designado, “además, las moléculas con átomos pesados ​​que aparecen en la parte inferior de la tabla periódica tienen grandes energías totales, pero el tamaño de la diferencia de energía discutida en química, como los estados de excitación electrónica y las energías de ionización, no depende mucho del tamaño de la molécula ". 

Esta idea llevó a Sugisaki y su equipo a implementar un algoritmo cuántico que calcula directamente las diferencias de energía en lugar de las energías totales, creando un futuro en el que las computadoras cuánticas escalables o prácticas nos permitan llevar a cabo investigación química y desarrollo de materiales reales.

Actualmente, las computadoras cuánticas son capaces de realizar cálculos de interacción de configuración completa (CI completo) que proporcionan energías moleculares óptimas con un algoritmo cuántico llamado estimación de fase cuántica (QPE), señalando que el cálculo de CI completo para sistemas moleculares considerables es intratable con cualquier supercomputadoras. QPE se basa en el hecho de que una función de onda, | Ψ⟩ que denota la descripción matemática del estado cuántico de un sistema microscópico, en este caso la solución matemática de la ecuación de Schrödinger para el sistema microscópico como un átomo o molécula - el tiempo cambia evolutivamente su fase dependiendo de su energía total. En el QPE convencional, se prepara el estado de superposición cuántica (| 0⟩ | Ψ⟩ + | 1⟩ | Ψ⟩) ⁄ √2, y la introducción de un operador de evolución temporal controlada hace que | Ψ⟩ evolucione en el tiempo solo cuando el primer qubit designa el estado | 1⟩. Así, el estado | 1⟩ crea una fase cuántica de la post-evolución en el tiempo mientras que el estado | 0⟩ la de la pre-evolución. La diferencia de fase entre las evoluciones pre y post da la energía total del sistema.   

Los investigadores de la Universidad de la Ciudad de Osaka generalizan el QPE convencional al cálculo directo de la diferencia en la energía total entre dos estados cuánticos relevantes. En el algoritmo cuántico de reciente aplicación denominada estimación bayesiana diferencia de fase (BPDE), la superposición de las dos funciones de onda, (| 0⟩ | Ψ 0  ⟩ + | 1⟩ | Ψ 1  ⟩) / √2, donde | Ψ 0  ⟩ y | Ψ 1  ⟩ denotar la función de onda correspondiente a cada estado, respectivamente, se prepara, y la diferencia en la fase entre | Ψ 0  ⟩ y | Ψ 1 ⟩ Después de la evolución temporal de la superposición da directamente la diferencia en la energía total entre las dos funciones de onda involucradas. 

El nuevo algoritmo sigue la evolución de la diferencia de energía a lo largo del tiempo, es menos propenso al ruido que calcular individualmente la energía total de un átomo o molécula. Por lo tanto, el algoritmo se adapta a la necesidad de problemas químicos que requieren una precisión energética precisa.

Anteriormente, este grupo de investigación desarrolló un algoritmo cuántico que calcula directamente la diferencia de energía entre estados electrónicos (estados de espín) con diferentes números cuánticos de espín (K. Sugisaki, K. Toyota, K. Sato, D. Shiomi, T. Takui,  Chem. Sci.  2021,  12 , 2121-2132.). Sin embargo, este algoritmo requiere más qubits que el QPE convencional y no se puede aplicar al cálculo de la diferencia de energía entre los estados electrónicos con números cuánticos de espín iguales, lo cual es importante para la asignación espectral de los espectros de absorción UV-visible. 

El algoritmo BPDE desarrollado en el estudio supera estos problemas, convirtiéndolo en un algoritmo cuántico muy versátil.

Fuente: “A Bayesian phase difference estimation: a general quantum algorithm for the direct calculation of energy gaps” 2 September 2021, Physical Chemistry Chemical Physicshttps://doi.org/10.1039/d1cp03156b


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