Comme récemment rapporté par le journal Chimie Physique Physique Chimique , des chercheurs de la Graduate School of Science de l'Université d'Osaka ont développé un algorithme quantique qui peut comprendre les états électroniques des systèmes atomiques ou moléculaires en calculant directement la différence d'énergie dans leurs états pertinents. Implémenté comme une estimation différente de phase bayésienne, l'algorithme rompt avec les conventions en ne se concentrant pas sur la différence des énergies totales calculées à partir de l'évolution pré- et post-phase, mais en suivant l'évolution de la différence d'énergie elle-même.

"Presque tous les problèmes de chimie discutent de la différence d'énergie, pas l'énergie totale de la molécule elle-même, " déclare Kenji Sugisaki, directeur de recherche et conférencier spécialement nommé, "aussi, les molécules avec des atomes lourds qui apparaissent dans la partie inférieure du tableau périodique ont de grandes énergies totales, mais la taille de la différence d'énergie discutée en chimie, tels que les états d'excitation électroniques et les énergies d'ionisation, ne dépend pas beaucoup de la taille de la molécule. » Cette idée a conduit Sugisaki et son équipe à mettre en œuvre un algorithme quantique qui calcule directement les différences d'énergie au lieu des énergies totales, créer un avenir où les ordinateurs quantiques évolutifs ou pratiques nous permettront de mener de véritables recherches chimiques et développement de matériaux.

Actuellement, les ordinateurs quantiques sont capables d'effectuer les calculs d'interaction de configuration complète (full-CI) qui offrent des énergies moléculaires optimales avec un algorithme quantique appelé estimation de phase quantique (QPE), notant que le calcul de l'IC complet pour des systèmes moléculaires importants est insoluble avec n'importe quel superordinateur. QPE repose sur le fait qu'une fonction d'onde, |Ψ⟩ qui désigne la description mathématique de l'état quantique d'un système microscopique - dans ce cas la solution mathématique de l'équation de Schrödinger pour le système microscopique tel qu'un atome ou une molécule - change de phase dans le temps en fonction de son énergie totale. Dans le QPE conventionnel, l'état de superposition quantique (|0⟩|Ψ⟩+|1⟩|Ψ⟩) ⁄ √2 est préparé, et l'introduction d'un opérateur d'évolution temporelle contrôlé fait évoluer |Ψ⟩ dans le temps uniquement lorsque le premier qubit désigne l'état |1⟩. Ainsi, l'état |1⟩ crée une phase quantique de la post-évolution dans le temps alors que l'état |0⟩ est celle de la pré-évolution. La différence de phase entre les pré- et post-évolutions donne l'énergie totale du système.

Les chercheurs de l'Université de la ville d'Osaka généralisent le QPE conventionnel au calcul direct de la différence d'énergie totale entre deux états quantiques pertinents. Dans le nouvel algorithme quantique appelé estimation de différence de phase bayésienne (BPDE), la superposition des deux fonctions d'onde, (|0⟩|Ψ 0 + |1⟩|Ψ 1 ) ⁄ √2, où |Ψ 0 et |Ψ 1 désigne la fonction d'onde relative à chaque état, respectivement, est préparé, et la différence de phase entre |Ψ 0 et |Ψ 1 ⟩ après le temps l'évolution de la superposition donne directement la différence d'énergie totale entre les deux fonctions d'onde impliquées. "Nous soulignons que l'algorithme suit l'évolution de la différence d'énergie dans le temps, ce qui est moins sujet au bruit que de calculer individuellement l'énergie totale d'un atome ou d'une molécule. Ainsi, l'algorithme répond au besoin de problèmes de chimie qui nécessitent une précision énergétique précise. » déclare le directeur de recherche et professeur émérite Takeji Takui.

Précédemment, ce groupe de recherche a développé un algorithme quantique qui calcule directement la différence d'énergie entre les états électroniques (états de spin) avec différents nombres quantiques de spin (K. Sugisaki, K. Toyota, K. Sato, D. Shiomi, T. Takui, Chem. Sci. 2021, 12 , 2121–2132.). Cet algorithme, cependant, nécessite plus de qubits que le QPE conventionnel et ne peut pas être appliqué au calcul de la différence d'énergie entre les états électroniques avec des nombres quantiques de spin égaux, ce qui est important pour l'attribution spectrale des spectres d'absorption UV-visible. L'algorithme BPDE développé dans l'étude surmonte ces problèmes, ce qui en fait un algorithme quantique très polyvalent.