Hóa học lượng tử và tính toán lượng tử

Dự đoán năng lượng của các phân tử có độ chính xác cao trong quá trình phản ứng hóa học, từ đó cho phép chúng ta dự đoán tốc độ phản ứng, hình học cân bằng, trạng thái chuyển tiếp giữa các trạng thái khác là một vấn đề Hóa học lượng tử.

Điện toán lượng tử có thể giúp Hóa học lượng tử bằng cách giải phương trình Schrodinger cho các hệ thống lớn. Một ví dụ về một vấn đề khó hiểu nhưng có ứng dụng cho Hóa học lượng tử là phương pháp Hartree-Fock , một phương pháp để xấp xỉ hàm sóng và năng lượng của hệ thống nhiều lượng tử (ở trạng thái đứng yên). Vấn đề này được biết là hoàn thành NP (xem Về tính đầy đủ NP của phương pháp Hartree-Fock cho các hệ thống bất biến dịch mã ). Các ví dụ khác về tính toán lượng tử cho hóa học lượng tử là 2-local-Hamilton (QMA-hoàn thành), Fermionic Local Hamiltonian (QMA-hard).

Điện toán lượng tử có thể đưa ra câu trả lời có / không cho các câu hỏi cho các vấn đề cụ thể như hiển thị các phân tử nhất định có thời điểm lưỡng cực. Ngoài ra, cũng có thể sử dụng NMR, bẫy ion và qubit siêu dẫn để mô phỏng các hệ thống hóa học như vậy. Tiếng ồn, một yếu tố tiếp cận như NISQ có thể đóng một phần trong việc mô phỏng các hệ thống hóa học lượng tử. Phương pháp tiếp cận điện toán lượng tử nào đã thành công trong việc giải quyết các vấn đề hóa học lượng tử như dự đoán tốc độ phản ứng, tốc độ chuyển tiếp (hoặc thậm chí là hứa hẹn)?

Bạn có thể tham khảo các tác phẩm như Mô phỏng Động lực phản ứng đồng phân hóa học trên Bộ mô phỏng lượng tử NMR ( phiên bản arXiv ).

Tuy nhiên, tôi nói rằng nói chung, việc dự đoán tốc độ phản ứng hoặc tốc độ chuyển đổi sẽ khó khăn hơn nhiều so với công việc 3 qubit này. Lưu ý một lượng lớn hóa học xảy ra hoặc trong dung dịch hoặc ở trạng thái rắn. Chỉ có hiện tượng hạt nhỏ (có thể là phản ứng giữa các phân tử đơn giản trong hóa học khí quyển hoặc hóa học), cũng là rẻ nhất để tính toán với các phương tiện thông thường, có thể được mô phỏng với một vài qubit. Ngay khi một người khao khát nhúng phản ứng vào một môi trường, sự phức tạp của một mô phỏng thực tế bùng nổ.

Tôi đồng ý rằng nếu chúng ta có thể tìm thấy các trường hợp cụ thể của các hệ thống lượng tử quy mô trung bình ồn, trong đó, theo thiết kế, tiếng ồn là một xấp xỉ hợp lý với hiệu ứng thực (nhiệt?) Của môi trường trong phản ứng hóa học đang nghiên cứu thực sự có thể cho chúng ta ít nhất là kết quả thú vị, thậm chí có thể hữu ích.

Không có phương pháp điện toán lượng tử nào từng thành công trong việc dự đoán tốc độ phản ứng hoặc trạng thái chuyển tiếp mà một máy tính cổ điển chưa thể làm được. Có nhiều thuật toán lượng tử để giải quyết vấn đề FCI với số lượng cổng máy tính lượng tử đa thức, do đó, có nhiều thuật toán cho thấy hứa hẹn xây dựng các bề mặt năng lượng có độ chính xác cao để nghiên cứu các phản ứng mà bạn mô tả.