为分子几何优化开发的直接计算能量导数的量子算法

近年来，量子计算机的研发取得了长足的进步。原子和分子的电子结构的量子化学计算作为量子计算机最有前途的应用之一而备受关注。为了将量子化学计算用于化学及相关领域，必须开发几何优化方法以找到分子最稳定的结构。几何优化需要计算关于分子核坐标的能量导数。

有限差分法是能量导数计算的一种方法。在经典计算机上，基于这种方法的一维系统计算至少需要两次能量评估。先前的研究表明，相比之下，量子计算机只需要一次查询即可根据有限差分法计算能量导数，而不管自由度的数量。然而，与能够执行能量导数计算的量子算法相关的量子电路尚未实现。

大阪都立大学理学研究科的KenjiSugisaki博士、KazunobuSato教授和名誉教授TakejiTakui组成的研究小组成功扩展了量子相位差估计算法，这是一种用于直接计算能隙的通用量子算法，能够直接计算两种不同分子几何形状之间的能量差异。这允许在单个计算中基于有限差分法计算关于核坐标的能量导数。

此外，该研究小组已应用开发的能量导数计算来执行H2、LiH、BeH2和N2分子的几何优化，而无需计算总能量，证明了开发方法的实用性。该小组还讨论了如何根据分子的不同自由度组装量子电路。

这项研究是研究人员关于量子计算机上的量子化学计算的一系列文章中的最新一篇。“我们的最新发现使我们更接近于将量子计算机上的量子化学计算应用于现实世界的问题，”杉崎博士说。

“由于能量导数计算不仅用于分子几何优化，还用于分子特性的各种计算，因此我们的方法的应用有望在广泛的相关领域发挥非常重要的作用，例如计算机药物发现/设计和材料开发。”