Chimica quantistica e computer quantistici, importante scoperta

Il calcolo quantico e la tecnologia di elaborazione delle informazioni quantistiche hanno attirato, di recente, l’attenzione della scienza e della tecnologia.

Tra le molte questioni importanti e fondamentali della scienza, la soluzione dell’equazione di Schroedinger (SE) di atomi e molecole è uno degli obiettivi finali della chimica, della fisica e dei relativi campi. SE è il primo principio della meccanica quantistica non relativistica, le cui soluzioni, chiamate funzioni d’onda, possono permettersi qualsiasi informazione di elettroni all’interno di atomi e molecole, prevedendo le loro proprietà fisico-chimiche e le reazioni chimiche.

Dr. K. Sugisaki, Prof. K. Sato e T. Takui e altri colleghi, tutti ricercatori della Osaka City University (OCU) in Giappone, hanno trovato un nuovo algoritmo quantistico che ci consente di eseguire calcoli dell’interazione completa (Full-CI) adatti per “reazioni chimiche” senza esponenziale / esplosione combinatoria.

Full-CI fornisce le esatte soluzioni numeriche di SE, che sono problemi intrattabili anche per i supercomputer. Tale algoritmo quantistico contribuisce all’accelerazione nell’implementazione di computer quantistici pratici.

Dal 1929, chimica e fisica hanno cercato di predire reazioni chimiche complesse invocando approcci Full-CI, ma non hanno mai avuto successo fino ad ora. I calcoli Full-CI sono potenzialmente in grado di prevedere le reazioni chimiche.

I ricercatori del presente studio riportano un nuovo approccio Full-CI implementato per la prima volta sui computer quantistici. Ecco di cosa si tratta.

Computer quantistici e chimica quantistica, finalmente ci siamo

I ricercatori giapponesi scrivono:

“Come affermato da Dirac nel 1929, quando fu stabilita la meccanica quantistica, l’esatta applicazione delle teorie matematiche per risolvere SE porta a equazioni troppo complicate per essere risolvibili. In effetti, il numero di variabili da determinare nel metodo Full-CI cresce in modo esponenziale contro le dimensioni del sistema, e si imbatte facilmente in figure astronomiche come l’esplosione esponenziale. Ad esempio, la dimensione del calcolo Full-CI per la molecola di benzene C6H6, in cui sono coinvolti solo 42 elettroni, ammonta a 1044, il che è impossibile Peggio, i sistemi molecolari durante il processo di dissociazione sono caratterizzati da strutture elettroniche estremamente complesse (natura multiconfigurazionale), e calcoli numerici rilevanti sono impossibili su qualsiasi supercomputer”.

Secondo il gruppo di ricerca OCU, i computer quantici risalgono al suggerimento di Feynman nel 1982 che la meccanica quantistica può essere simulata da un computer stesso costruito con elementi meccanici quantistici che obbediscono alle leggi della meccanica quantistica.

L’algoritmo quantistico del Prof Aspuru-Guzik

Più di 20 anni dopo, il Prof. Aspuru-Guzik della Harvard Univ. (Toronto Univ. dal 2018) e colleghi hanno proposto un algoritmo quantistico in grado di calcolare le energie di atomi e molecole non in modo esponenziale ma polinomiale contro il numero delle variabili dei sistemi, facendo un passo avanti nel campo della chimica quantistica sui computer quantistici.