大阪城市大学 一种量子电路，能够在参数J的测量中实现P(0)的最大概率
信用:K
Sugisaki，K
佐藤和T
中岛卓伟 大阪市立大学的研究人员利用量子叠加态和贝叶斯推理创建了一种量子算法，可以在量子计算机上轻松执行，在多项式时间内准确、直接地计算分子系统的电子基态和激发态之间的能量差
理解自然界是如何工作的，使我们能够为了人类的利益而模仿它
想想我们有多依赖电池
核心是理解分子结构和其中电子的行为
计算一个分子的电子基态和激发态之间的能量差有助于我们理解如何在各种化学、生物医学和工业应用中更好地利用这个分子
我们在具有封闭壳层系统的分子方面取得了很大进展，在该系统中，电子成对出现并保持稳定
另一方面，开壳系统不太稳定，其底层电子行为复杂，因此更难理解
它们的基态有不成对的电子，由于电子自旋的内在性质，导致它们的能量变化，这使得测量变得困难，特别是当分子的尺寸和复杂性增加时
虽然这种分子在自然界中非常丰富，但是缺乏能够处理这种复杂性的算法
一个障碍是处理所谓的计算时间的指数爆炸
使用传统的计算机来计算不成对的自旋如何影响一个开壳分子的能量将需要数亿年，而人类没有时间
量子计算机正在开发中，以帮助将这一时间减少到所谓的“多项式时间”
“然而，科学家用来计算开壳分子能量差异的过程，对于传统计算机和量子计算机来说，本质上是相同的
这阻碍了量子计算在化学和工业应用中的实际应用
大阪城市大学的菅义伟和Takeji Takui说:“调用真量子算法的方法比利用经典计算机更有效地帮助我们处理开壳系统。”
与他们的同事一起，他们开发了一种可在量子计算机上执行的量子算法，这种算法第一次能够精确计算开壳分子系统的电子基态和激发态之间的能量差
他们的发现发表在2020年12月24日的《化学科学》杂志上
分子自旋态之间的能量差由交换相互作用参数J的值来表征
该小组称，传统的量子算法能够精确计算封闭壳层分子的能量，“但它们无法处理具有强烈多构型特征的系统”
到目前为止，科学家们已经假设，要获得参数J，必须首先计算每个自旋状态的总能量
在开壳分子中，这是困难的，因为每个自旋态的总能量随着分子活性和大小的变化而变化很大
然而，“能量差异本身并不太取决于系统的大小，”研究小组指出
这使得他们创建了一种算法，其计算重点是自旋差异，而不是单个自旋状态
创建这样一个算法需要他们放弃使用传统计算机多年来形成的假设，专注于量子计算的独特特征——即“量子叠加态”
" “叠加”让算法同时代表两个变量，这样科学家就可以专注于这些变量之间的关系，而不需要首先确定它们各自的状态
研究小组使用了一种叫做破对称波函数的东西，作为具有不同自旋状态的波函数的叠加，并将其改写为参数J的哈密顿方程
通过运行这个新的量子电路，研究小组能够专注于与目标的偏差，并通过应用贝叶斯推理，一种机器学习技术，他们引入这些偏差来确定交换相互作用参数
“基于这种方法的数值模拟进行了分子氢的共价离解(H2)，分子氮的三键离解(N2)，以及碳、氧、硅原子和铵、氢、氧、氮和氧分子的基态，误差小于1千卡/摩尔，”研究小组补充说
“我们计划在配备有高噪声(无量子误差校正)中尺度(数百个量子位)量子设备(NISQ设备)的近期量子计算机上安装我们的贝叶斯交换耦合参数计算器和破对称波函数(BxB)软件，测试实际大规模分子系统的量子化学计算的有效性
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