Les ordinateurs quantiques ont récemment attiré beaucoup d'attention, car ils sont censés résoudre certains problèmes qui dépassent les capacités des ordinateurs normaux. Le principal de ces problèmes consiste à déterminer les états électroniques des atomes et des molécules afin qu'ils puissent être utilisés plus efficacement dans une variété d'industries, des conceptions de batteries lithium-ion aux technologies in silico dans le développement de médicaments. Une manière courante pour les scientifiques d'aborder ce problème consiste à calculer les énergies totales des états individuels d'une molécule ou d'un atome, puis de déterminer la différence d'énergie entre ces états. Dans la nature, de nombreuses molécules grandissent en taille et en complexité, et le coût de calcul de ce flux constant dépasse les capacités de tout ordinateur traditionnel ou d'algorithmes quantiques actuellement établis. Par conséquent, les prédictions théoriques des énergies totales n'ont été possibles que si les molécules ne sont pas de taille importante et isolées de leur environnement naturel.

"Pour que les ordinateurs quantiques soient une réalité, ses algorithmes doivent être suffisamment robustes pour prédire avec précision les états électroniques des atomes et des molécules, tels qu'ils existent dans la nature, " déclarent Kenji Sugisaki et Takeji Takui de la Graduate School of Science, Université de la ville d'Osaka.

En décembre 2020, Sugisaki et Takui, avec leurs collègues, a dirigé une équipe de chercheurs pour développer un algorithme quantique qu'ils appellent calculateur de paramètres de couplage Bayesian eXchange avec des fonctions d'onde à symétrie brisée (BxB), qui prédit les états électroniques des atomes et des molécules en calculant directement les différences d'énergie. Ils ont noté que les différences d'énergie dans les atomes et les molécules restent constantes, indépendamment de leur complexité et de leur taille, malgré leur énergie totale, elles augmentent avec la taille du système. "Avec BxB, nous avons évité la pratique courante de calculer les énergies totales et avons ciblé directement les différences d'énergie, maintenir les coûts de calcul dans le temps polynomial, " déclarent-ils. " Depuis lors, notre objectif a été d'améliorer l'efficacité de notre logiciel BxB afin qu'il puisse prédire les états électroniques des atomes et des molécules avec une précision chimique."

En utilisant les coûts de calcul d'un algorithme bien connu appelé Quantum Phase Estimation (QPE) comme référence, "nous avons calculé les énergies d'ionisation verticales de petites molécules telles que le CO, O 2 , CN, F 2 , H 2 , NH 3 à moins de 0,1 électron-volt (eV) de précision, " précise l'équipe, en utilisant la moitié du nombre de qubits, amenant le coût de calcul à égalité avec QPE.

Leurs conclusions seront publiées en ligne dans l'édition de mars du Journal des lettres de chimie physique .

L'énergie d'ionisation est l'une des propriétés physiques les plus fondamentales des atomes et des molécules et un indicateur important pour comprendre la force et les propriétés des liaisons et réactions chimiques. En bref, prédire avec précision l'énergie d'ionisation nous permet d'utiliser des produits chimiques au-delà de la norme actuelle. Autrefois, il fallait calculer les énergies des états neutre et ionisé, mais avec l'algorithme quantique BxB, l'énergie d'ionisation peut être obtenue en un seul calcul sans inspecter les énergies totales individuelles des états neutre et ionisé. « À partir de simulations numériques du circuit logique quantique dans BxB, nous avons constaté que le coût de calcul pour la lecture de l'énergie d'ionisation est constant quel que soit le numéro atomique ou la taille de la molécule, " déclare l'équipe, "et que l'énergie d'ionisation peut être obtenue avec une précision élevée de 0,1 eV après avoir modifié la longueur du circuit logique quantique pour qu'elle soit inférieure à un dixième de QPE."

Avec le développement du matériel informatique quantique, Sugisaki et Takui, avec leur équipe, s'attendent à ce que l'algorithme quantique BxB effectue des calculs d'énergie de haute précision pour les grosses molécules qui ne peuvent pas être traitées en temps réel avec des ordinateurs conventionnels.