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L'informatique quantique et la technologie de traitement de l'information quantique ont attiré l'attention dans des domaines émergents récemment. Parmi les nombreuses questions importantes et fondamentales de la science, la résolution de l'équation de Schroedinger (SE) des atomes et des molécules est l'un des buts ultimes de la chimie, physique et leurs domaines connexes. SE est le premier principe de la mécanique quantique non relativiste, dont les solutions, fonctions d'onde, peut fournir n'importe quelle information d'électrons dans les atomes et les molécules, prédire leurs propriétés physico-chimiques et leurs réactions chimiques.
Dr K. Sugisaki, Profs. K. Sato et T. Takui et leurs collègues, tous les chercheurs de l'Université de la ville d'Osaka (OCU) au Japon, ont trouvé un nouvel algorithme quantique nous permettant d'effectuer des calculs d'interaction de configuration complète (Full-CI) adaptés aux "réactions chimiques" sans explosion exponentielle/combinatoire. Full-CI donne les solutions numériques exactes de SE, qui sont des problèmes insolubles même pour les supercalculateurs. Un tel algorithme quantique contribue à accélérer la mise en œuvre d'ordinateurs quantiques pratiques. Depuis 1929, la chimie et la physique ont cherché à prédire des réactions chimiques complexes en invoquant des approches Full-CI, mais ils n'ont jamais réussi jusqu'à présent. Les calculs Full-CI sont potentiellement capables de prédire des réactions chimiques. Les chercheurs de la présente étude rapportent pour la première fois une nouvelle approche Full-CI mise en œuvre sur des ordinateurs quantiques.
L'article est publié en ACS Science centrale .
Ils écrivent, "Comme Dirac l'a affirmé en 1929 lors de l'établissement de la mécanique quantique, l'application exacte des théories mathématiques pour résoudre SE conduit à des équations trop compliquées pour être résolues. En réalité, le nombre de variables à déterminer dans la méthode Full-CI augmente de façon exponentielle par rapport à la taille du système, et il se heurte facilement à des chiffres astronomiques tels que l'explosion exponentielle. Par exemple, la dimension du calcul Full-CI pour la molécule de benzène C
Selon le groupe de recherche OCU, Les ordinateurs quantiques remontent à la suggestion de Feynman en 1982 selon laquelle la mécanique quantique peut être simulée par un ordinateur lui-même constitué d'éléments de mécanique quantique qui obéissent aux lois de la mécanique quantique. Plus de 20 ans plus tard, Pr Aspuru-Guzik, Université Harvard. (Toronto Univ. depuis 2018) et ses collègues ont proposé un algorithme quantique capable de calculer les énergies des atomes et des molécules non pas de manière exponentielle mais polynomiale en fonction du nombre des variables des systèmes, faire une percée dans le domaine de la chimie quantique sur les ordinateurs quantiques.
Lorsque l'algorithme quantique d'Aspuru est appliqué aux calculs Full-CI sur les ordinateurs quantiques, de bonnes fonctions d'onde approximatives proches des fonctions d'onde exactes de SE à l'étude sont nécessaires. Autrement, les mauvaises fonctions d'onde ont besoin d'un nombre extrême d'étapes de calculs répétés pour atteindre les exactes, entravant les avantages de l'informatique quantique. Ce problème devient extrêmement grave pour les analyses de réactions chimiques, qui ont une nature multiconfigurationnelle en raison des électrons ne participant pas à la liaison chimique lors de la dissociation de la liaison. Les chercheurs de l'OCU se sont attaqués à ce problème, l'un des problèmes les plus insolubles de la science quantique et de la chimie, et a fait une percée dans la mise en œuvre d'un nouvel algorithme quantique générant des fonctions d'onde particulières appelées fonctions d'état de configuration (CSF) en temps de calcul polynomial.
Les algorithmes proposés précédemment pour l'informatique quantique, cependant, impliquent inévitablement la dissociation et la formation de nombreuses liaisons chimiques, et comme résultat, générer de nombreux électrons ne participant pas aux liaisons chimiques, rendant les algorithmes quantiques difficiles à appliquer. C'est ce qu'on appelle le « dilemme quantique ».
Les chercheurs de l'OCU ont introduit un caractère diradical, ouais (0 ~ 1) , mesurer et caractériser la nature des structures électroniques à coque ouverte, et ont exploité les caractères diradiques pour construire des fonctions d'onde multiconfigurations nécessaires aux réactions chimiques, exécuter les calculs Full-CI tout au long de la voie de réaction sur des ordinateurs quantiques. Cette nouvelle procédure ne nécessite pas de calculs post-Hartree-Fock fastidieux, éviter l'explosion exponentielle du calcul, résoudre le "Dilemme Quantique" pour la première fois. Le groupe OCU écrit, « C'est le premier exemple d'un algorithme quantique pratique qui rend les calculs de chimie quantique pour prédire les voies de réaction chimique réalisables sur des ordinateurs quantiques équipés d'un nombre important de qubits. La mise en œuvre permet des applications pratiques des calculs de chimie quantique sur des ordinateurs quantiques dans de nombreux domaines importants de chimie et science des matériaux."
