量子计算机的量子化学计算

量子计算和量子信息处理技术在最近兴起的领域引起了人们的关注。在当今科学的许多重要和基本问题中，解决原子和分子的Schroedinger方程(SE)是化学，物理及其相关领域的最终目标之一。SE是非相对论量子力学的“第一原理”，其称为波函数的解决方案可以提供原子和分子内的任何电子信息，预测它们的物理化学性质和化学反应。来自日本大阪市立大学(OCU)的研究人员，K。Sugisaki博士，教授。K. Sato和T. Takui及其同事发现了一种量子算法，使我们能够对任何开放的壳分子进行完全配置相互作用(Full-CI)计算，而无需指数/组合爆炸。Full-CI给出了SE的精确数值解，这是任何超级计算机难以处理的问题之一。这种量子算法的实现有助于加速实现实际的量子计算机。

他们说，“正如狄拉克在1929年声称量子力学建立时所说的，数学理论在解决SE问题上的确切应用导致方程太复杂而无法解决。事实上，在Full-CI方法中确定的变量数量增长指数与系统大小呈指数关系，很容易陷入指数爆炸等天文数字。例如，苯分子C6H6的全CI计算维数，其中只涉及42个电子，达到1044，这是不可能的处理任何超级计算机。“

根据OCU研究小组的说法，量子计算机可以追溯到1982年费曼的建议，即量子力学可以通过计算机本身来模拟，该计算机本身是遵循量子力学定律的量子力学元素构建的。20多年后，哈佛大学Aspuru-Guzik教授。(多伦多大学自2018年以来)和同事提出了一种量子算法，能够计算原子和分子的能量而不是指数但多项式地反对系统变量的数量，从而在量子计算机的量子化学领域取得突破。

当Aspuru的量子算法应用于量子计算机上的Full-CI计算时，需要接近所研究的SE的精确波函数的良好近似波函数，否则不良波函数需要极其多的重复计算步骤。达到确切的目标，阻碍了量子计算的优势。对于任何开放的壳体系统来说，这个问题变得非常严重，这些壳体系统中有许多不成对的电子不参与化学键合 OCU的研究人员已经解决了这个问题，这是量子科学中最棘手的问题之一，并且在2016年实现量子算法方面取得了突破，该量子算法在多项式计算时间内生成称为配置状态函数的特定波函数。

先前提出的算法需要相当数量的量子电路栅极操作，其与N的数量的平方成比例，N表示系统中未配对电子的向下自旋的数量。因此，如果N增加，则总计算时间不是指数增加而是急剧增加。另外，对于算法和量子编程架构的实际使用，应该减少量子电路的复杂性。新的量子算法利用生命自旋函数，称为Serber构造，并将门操作的数量减少到仅2N，执行量子门的并行性。OCU小组说：“这是实用量子算法的第一个例子，它使量子化学计算在配备大量量子比特的量子计算机上实现。

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