Quantenchemie und Quantencomputer

Die Vorhersage der Energie von Molekülen mit hoher Genauigkeit im Verlauf einer chemischen Reaktion, die es uns wiederum ermöglicht, Reaktionsraten, Gleichgewichtsgeometrien und Übergangszustände vorherzusagen, ist ein quantenchemisches Problem.

Quantum Computing könnte der Quantenchemie helfen, indem es die Schrödinger-Gleichung für große Systeme löst. Ein Beispiel für ein Problem, das unlösbar ist, aber Anwendungen in der Quantenchemie hat, ist die Hartree-Fock-Methode , eine Methode zur Approximation der Wellenfunktion und Energie eines Quanten-Vielteilchensystems (im stationären Zustand). Es ist bekannt, dass dieses Problem NP-vollständig ist (siehe Zur NP-Vollständigkeit der Hartree-Fock-Methode für translatorisch invariante Systeme ). Andere Beispiele für die Quantenberechnung zur Quantenchemie sind 2-lokale Hamiltonianer (QMA-vollständig) und fermionische lokale Hamiltonianer (QMA-hart).

Quantum Computing könnte Ja / Nein-Antworten auf Fragen zu bestimmten Problemen geben, z. B. um zu zeigen, dass bestimmte Moleküle ein Dipolmoment haben. Auch NMR, gefangene Ionen und supraleitende Qubits könnten verwendet werden, um solche chemischen Systeme zu simulieren. Da Rauschen ein Faktor ist, könnten Ansätze wie NISQ eine Rolle bei der Simulation quantenchemischer Systeme spielen. Welche Quantum-Computing-Ansätze waren erfolgreich bei der Lösung quantenchemischer Probleme wie der Vorhersage von Reaktionsraten, Übergangsraten (oder sogar vielversprechenden Ergebnissen)?

Möglicherweise beziehen Sie sich auf Arbeiten wie die Simulation der Reaktionsdynamik der chemischen Isomerisierung auf einem NMR-Quantensimulator ( arXiv-Version ).

Ich würde jedoch sagen, dass die Vorhersage von Reaktionsraten oder Übergangsraten im Vergleich zu diesem 3-Qubit-Job im Allgemeinen viel schwieriger sein wird. Beachten Sie, dass eine große Menge an Chemie entweder in Lösung oder im festen Zustand stattfindet. Mit wenigen Qubits können nur wenige Teilchenphänomene (möglicherweise Reaktionen zwischen einfachen Molekülen in der atmosphärischen Chemie oder der Astrochemie) simuliert werden, die auch mit herkömmlichen Mitteln am billigsten zu berechnen sind. Sobald man die Reaktion in eine Umgebung einbetten möchte, explodiert die Komplexität einer realistischen Simulation.

Ich bin damit einverstanden, dass, wenn wir in der Lage sind, bestimmte Fälle von verrauschten Quantensystemen im mittleren Maßstab zu finden, bei denen das Rauschen zufällig eine vernünftige Annäherung an den tatsächlichen (thermischen?) Effekt der Umgebung in der untersuchten chemischen Reaktion darstellt könnte uns in der Tat zumindest aufregende Ergebnisse liefern, vielleicht sogar nützlich.

Kein Quantencomputer-Ansatz war jemals erfolgreich, um eine Reaktionsrate oder einen Übergangszustand vorherzusagen, den ein klassischer Computer noch nicht konnte. Es gibt viele Quantenalgorithmen zur Lösung des FCI-Problems mit einer Polynomzahl von Quantencomputertoren. Daher gibt es viele Algorithmen, die vielversprechend sind, um die hochgenauen potenziellen Energieoberflächen zu erstellen, um die von Ihnen beschriebenen Reaktionen zu untersuchen.