从量子角度重新思考自旋化学

大阪市立大学的研究人员使用量子叠加态和贝叶斯推论来创建一种量子算法，该算法可在量子计算机上轻松执行，该算法可精确，直接地计算出多项式时间内电子基态与分子系统的激发自旋态之间的能量差。

了解自然世界是如何运作的，使我们能够为人类造福。想想我们有多依靠电池。核心是了解分子结构和其中的电子行为。计算分子的电子基态和激发的自旋态之间的能量差有助于我们了解如何在各种化学，生物医学和工业应用中更好地使用该分子。在具有封闭壳系统的分子中，我们已经取得了很大进展，在封闭壳系统中，电子配对并且稳定。另一方面，开放式系统的稳定性较差，其潜在的电子行为也很复杂，因此更难以理解。它们的基态有未成对的电子，由于电子自旋的内在本质，它们的能量会发生变化，并且使测量变得困难，尤其是随着分子尺寸和复杂性的增加。尽管此类分子性质丰富，但仍缺乏可解决这种复杂性的算法。一个障碍是要处理所谓的计算时间的指数爆炸式增长。使用常规计算机来计算不成对的自旋如何影响开壳分子的能量将花费数亿年的时间，这是人类所没有的时间。

量子计算机正在开发中，以帮助将其减少到所谓的“多项式时间”。但是，科学家用于计算开壳分子的能量差的过程对于传统计算机和量子计算机而言基本上是相同的。这阻碍了量子计算在化学和工业应用中的实际使用。

大阪市立大学的杉崎健二和竹井卓治说：“采用真正的量子算法的方法，比起使用传统计算机，可以帮助我们更有效地处理开壳系统。” 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，该算法首次可以准确地计算出开壳分子系统的电子基态和激发自旋态之间的能量差。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。常规量子算法已经能够准确地计算出闭壳分子的能量，“但是他们无法处理具有强多构型的系统字符”。迄今为止，科学家一直认为，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会随着分子活性和大小的变化而发生很大变化。然而，“能量研究团队指出：“差异本身并不会很大程度地依赖于系统大小。”这促使他们创建了一种算法，其计算重点是自旋差异，而不是各个自旋状态。创建这样的算法需要他们放弃假设通过多年使用常规计算机的开发，并专注于量子计算的独特特征-即“量子叠加态”。

“叠加”使算法可以一次表示两个变量，然后使科学家可以专注于这些变量之间的关系，而无需首先确定它们各自的状态。该研究小组使用了一种称为破对称波函数作为具有不同自旋状态的波函数的叠加，并将其重写为参数J的哈密顿方程。通过运行此新的量子电路，该团队能够专注于与他们的目标，并应用贝叶斯推理，一种机器学习技术，他们将这些偏差引入交换相互作用参数J。“基于该方法的分子模拟是对分子氢(H 2)的共价解离进行的。)，分子氮(N 2)的三键解离以及C，O，Si原子以及NH，OH +，CH 2，NF和O 2 分子的基态，其误差小于1 kcal / mol， ”研究小组补充说。

“我们计划在配备有噪声(无量子误差校正)中等规模(几百个量子比特)量子设备(NISQ设备)的近期量子计算机上安装带有断对称波函数(BxB)软件的贝叶斯eXchange耦合参数计算器)，测试对实际的相当大的分子系统进行量子化学计算的有用性。”

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