量子計(jì)算和量子信息處理技術(shù)在最近興起的領(lǐng)域引起了人們的關(guān)注。在當(dāng)今科學(xué)的許多重要和基本問題中，解決原子和分子的Schroedinger方程(SE)是化學(xué)，物理及其相關(guān)領(lǐng)域的最終目標(biāo)之一。SE是非相對(duì)論量子力學(xué)的“第一原理”，其稱為波函數(shù)的解決方案可以提供原子和分子內(nèi)的任何電子信息，預(yù)測它們的物理化學(xué)性質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)。來自日本大阪市立大學(xué)(OCU)的研究人員，K。Sugisaki博士，教授。K. Sato和T. Takui及其同事發(fā)現(xiàn)了一種量子算法，使我們能夠?qū)θ魏伍_放的殼分子進(jìn)行完全配置相互作用(Full-CI)計(jì)算，而無需指數(shù)/組合爆炸。Full-CI給出了SE的精確數(shù)值解，這是任何超級(jí)計(jì)算機(jī)難以處理的問題之一。這種量子算法的實(shí)現(xiàn)有助于加速實(shí)現(xiàn)實(shí)際的量子計(jì)算機(jī)。

他們說，“正如狄拉克在1929年聲稱量子力學(xué)建立時(shí)所說的，數(shù)學(xué)理論在解決SE問題上的確切應(yīng)用導(dǎo)致方程太復(fù)雜而無法解決。事實(shí)上，在Full-CI方法中確定的變量數(shù)量增長指數(shù)與系統(tǒng)大小呈指數(shù)關(guān)系，很容易陷入指數(shù)爆炸等天文數(shù)字。例如，苯分子C6H6的全CI計(jì)算維數(shù)，其中只涉及42個(gè)電子，達(dá)到1044，這是不可能的處理任何超級(jí)計(jì)算機(jī)。“

根據(jù)OCU研究小組的說法，量子計(jì)算機(jī)可以追溯到1982年費(fèi)曼的建議，即量子力學(xué)可以通過計(jì)算機(jī)本身來模擬，該計(jì)算機(jī)本身是遵循量子力學(xué)定律的量子力學(xué)元素構(gòu)建的。20多年后，哈佛大學(xué)Aspuru-Guzik教授。(多倫多大學(xué)自2018年以來)和同事提出了一種量子算法，能夠計(jì)算原子和分子的能量而不是指數(shù)但多項(xiàng)式地反對(duì)系統(tǒng)變量的數(shù)量，從而在量子計(jì)算機(jī)的量子化學(xué)領(lǐng)域取得突破。

當(dāng)Aspuru的量子算法應(yīng)用于量子計(jì)算機(jī)上的Full-CI計(jì)算時(shí)，需要接近所研究的SE的精確波函數(shù)的良好近似波函數(shù)，否則不良波函數(shù)需要極其多的重復(fù)計(jì)算步驟。達(dá)到確切的目標(biāo)，阻礙了量子計(jì)算的優(yōu)勢。對(duì)于任何開放的殼體系統(tǒng)來說，這個(gè)問題變得非常嚴(yán)重，這些殼體系統(tǒng)中有許多不成對(duì)的電子不參與化學(xué)鍵合 OCU的研究人員已經(jīng)解決了這個(gè)問題，這是量子科學(xué)中最棘手的問題之一，并且在2016年實(shí)現(xiàn)量子算法方面取得了突破，該量子算法在多項(xiàng)式計(jì)算時(shí)間內(nèi)生成稱為配置狀態(tài)函數(shù)的特定波函數(shù)。

先前提出的算法需要相當(dāng)數(shù)量的量子電路柵極操作，其與N的數(shù)量的平方成比例，N表示系統(tǒng)中未配對(duì)電子的向下自旋的數(shù)量。因此，如果N增加，則總計(jì)算時(shí)間不是指數(shù)增加而是急劇增加。另外，對(duì)于算法和量子編程架構(gòu)的實(shí)際使用，應(yīng)該減少量子電路的復(fù)雜性。新的量子算法利用生命自旋函數(shù)，稱為Serber構(gòu)造，并將門操作的數(shù)量減少到僅2N，執(zhí)行量子門的并行性。OCU小組說：“這是實(shí)用量子算法的第一個(gè)例子，它使量子化學(xué)計(jì)算在配備大量量子比特的量子計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)。