新的贝叶斯量子算法直接计算原子和分子的能量差

　　左:|0⟩|Ψ⟩和exp(-iEt)|1⟩|Ψ⟩提供总能量E。紫色曲线箭头表示|Ψ⟩的及时阶段演化。右:exp(- ie0t)|0⟩|Ψ0⟩和exp(- ie1t)|1⟩|Ψ1⟩之间的相位差直接提供能量差E1 - E0。蓝色和紫色的曲线箭头分别表示|Ψ0⟩和|Ψ1⟩的阶段演化。作者:杉崎幸，佐藤幸和拓井
　　据《物理化学化学物理》杂志最近报道，大阪市大学理学院的研究人员开发出了一种量子算法，该算法可以直接计算原子或分子系统的电子状态的能量差，从而了解它们的电子状态。该算法采用贝叶斯相位差估计方法，打破了传统的算法，不关注相位前后演化计算的总能量差，而是跟踪能量差本身的演化。
　　＂几乎所有的化学问题都讨论能量差异，而不是分子本身的总能量，＂研究负责人、特别指定讲师菅崎健二说，＂而且，出现在元素周期表下部的重原子分子总能量很大，但在化学中讨论的能量差的大小，如电子激发态和电离能，并不很大程度上取决于分子的大小。＂这个想法让Sugisaki和他的团队实现了一种量子算法，直接计算能量差异，而不是总能量，创造了一个可扩展或实用的量子计算机使我们能够进行实际的化学研究和材料开发的未来。
　　目前，量子计算机能够执行全构型相互作用(full- ci)计算，通过量子算法称为量子相位估计(QPE)提供最优分子能量，注意到对于大型分子系统的全ci计算是任何超级计算机都难以实现的。QPE依赖于一个波函数,|Ψ⟩表示的数学描述量子态的微观系统这种情况下的数学解薛定谔方程等微观系统一个原子或molecule-time-evolutionally变更阶段根据其总能量。在传统QPE中，准备了量子叠加状态(|0⟩|Ψ⟩+|1⟩|Ψ⟩) 2，而引入受控时间进化算子使|Ψ⟩只有在第一个量子位指定|1⟩状态时才能及时进化。因此，|1⟩状态创建了进化后时间的量子阶段，而|0⟩状态是进化前的量子阶段。演化前和演化后的相位差给出了系统的总能量。
　　大阪城市大学的研究人员将传统的量子力学推广到直接计算两个相关量子态的总能量差。在新实现的称为贝叶斯相差估计(BPDE)的量子算法中，准备了两个波函数的叠加(|0⟩|Ψ0⟩+ |1⟩|Ψ1⟩) 2，其中|Ψ0⟩和|Ψ1⟩分别表示与每个状态相关的波函数，在叠加的时间演化之后，|Ψ0⟩和|Ψ1⟩之间的阶段差异直接给出了所涉及的两个波函数之间的总能量差异。＂我们强调，算法遵循能量差异随时间的演变，这比单独计算一个原子或分子的总能量更不容易受到干扰。因此，该算法满足了化学问题的需要，这些问题需要精确的能量。＂
　　此前，该研究小组开发了一种量子算法，直接计算不同自旋量子数(K. Sugisaki, K. Toyota, K. Sato, D. Shiomi, T. Takui, Chem)的电子态(自旋态)之间的能量差。中国科学:地球科学，2019,32(6):716 - 724。然而，该算法比传统的QPE需要更多的量子位元，不能用于相同自旋量子数的电子态之间的能量差计算，而这对于紫外-可见吸收光谱的光谱分配非常重要。该研究开发的BPDE算法克服了这些问题，使其成为一种高度通用的量子算法。