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ORDENADOR CUANTICO CALCULA EL ESTADO FUNDAMENTAL DEL HIDROGENO

Fecha actualización el 2016-8-11. Fecha publicación el . Categoría: Ciencia. Fuente: Arstechnica. Autor: Mapa del sitio

Un ordenador cuántico aplastó aspectos digitales de la computación cuántica junto con aspectos analógicos. El mismo dispositivo se ha utilizado para hacer cálculos de química cuántica reales.

Como cualquier físico le dirá, la química es sólo física. Y como cualquier químico le dirá, ecuaciones irresolubles no tienen ningún valor cuando se está mirando por el cañón de una síntesis que ha ido mal (he parafraseado lo que un químico en realidad decir, que los estándares editoriales de Ars no permitirían que imprima) .

Ambos físicos y químicos tienen razón. Las moléculas tienen una forma fija, que requieren ciertas cantidades fijas de energía de separar, y que liberan o requieren una determinada cantidad de energía para reaccionar. La velocidad a la que se produce una reacción, por ejemplo, depende finamente sobre la estructura de las moléculas implicadas.

Y la estructura de una molécula es fijado por las reglas de la mecánica cuántica. En principio, si se puede resolver la ecuación de Schrödinger para una molécula, que se sabe todo sobre él. Usted sabe la cantidad de energía que se necesita para separarla y, por lo tanto, la rapidez con que se sometería a una reacción dada. Esta forma se preparará el camino para cambiar las cosas en el medio ambiente y nos permitirá determinar (por ejemplo) un catalizador cómo cambia la forma de la molécula para que sea más fácil tirar de diferencia.

El problema es que la energía necesaria para tirar de una molécula aparte cambios con longitud de enlace. Por lo tanto, calcular mal la forma de una molécula cambia las velocidades de reacción predichos (por ejemplo, la velocidad a la que suceden cosas) de forma exponencial. errores diminutos son muy importantes.

Los errores no serían un problema si podíamos obtener soluciones exactas de la ecuación de Schrödinger. Pero, con la excepción de hidrógeno, y no la molécula de hidrógeno, el átomo de hidrógeno-que no puede. En su lugar, tenemos que utilizar aproximaciones, que introducen errores. El cálculo de estas aproximaciones es también uno de los problemas que escala muy, muy mal con el tamaño. Para moléculas más complicadas, haciendo estos cálculos rápidamente se convierte en irrazonable. Para superar esto, se aplican capas de aproximación, que el equilibrio de precisión contra el tiempo que se necesita para obtener una solución.

Estos modelos son muy buenos calculando muchas cosas. Pero no son buenos para el cálculo de la energía requerida para separar moléculas separadas y, en consecuencia, la velocidad de reacción.

La razón por la cual los cálculos de química cuántica son tan difíciles es simplemente el número de cosas que tiene que seguir la pista. Considere un átomo de hidrógeno. Es necesario realizar un seguimiento de un electrón y un protón y el electrón sólo se siente una fuerza de atracción hacia el protón. Para una molécula de hidrógeno, tiene dos protones que se repelen entre sí y dos electrones que son atraídos por los dos protones y repelidos por la otra. Además, los dos electrones tienen espín, que influye en el estado también. De repente, las cosas empiezan a complicarse.

Una analogía podría ser una de las partes: no es suficiente para mantener un seguimiento de quién está bailando con quien en este momento . Usted tiene que realizar un seguimiento de quien todo el mundo bailaba con anterioridad, los cuales han evitado el baile con, y que se niega a bailar en absoluto. También hay que distinguir los bailes lentos de bailes rápidos y bailes de grupo de pares y actúa en solitario. El seguimiento de todo esto rápidamente se convierte en un desastre.

Aquí es donde el poder de los algoritmos cuánticos entra en acción. Con los años, la gente ha desarrollado una serie de algoritmos cuánticos que pueden resolver de manera eficiente para la estructura y el estado de energía más bajo de moléculas. Aunque los algoritmos cuánticos podrían o no podrían ser más rápido que los algoritmos de un ordenador clásico, nos ha faltado el hardware con el que ponerlos a prueba.

¿Por qué son los algoritmos cuánticos más rápidos? Creo que es debido a que los electrones en una molécula no son libres para asumir cualquier estado. En primer lugar, el panorama energético en el que se encuentran sólo les permite a asumir ciertas energías fijos. La segunda razón es que, si un electrón está en un estado particular, prohíbe un segundo electrón de ocupar el mismo estado.

Vamos a poner esto en términos de ondas, porque los electrones en una molécula o átomo tienen un carácter ondulatorio. de onda de un electrón se extiende alrededor del núcleo y de vuelta al mismo lugar de nuevo. Si se tiene la energía mal, no va a tener la misma amplitud o fase cuando se devuelve (por lo que los picos de la onda no se alinean). Desde el electrón mantendrá oscilante alrededor del núcleo, esta diferencia se acumula, la reducción de la amplitud a cero. Esencialmente, un electrón con la energía mal está representado por una onda que tiene una amplitud cero. El electrón, por lo tanto, no existe.

Del mismo modo, si dos electrones tratan de entrar en el mismo estado, van a encontrar las olas que los representan no cuadran muy bien, en cambio, que suman cero. Básicamente, si un electrón ocupa el estado A, B electrones no puede y no entrar en el estado A. Para ello, sería necesario que no existe ninguno de electrones.

La consecuencia es que existen correlaciones entre los electrones: si electrón B entra en el estado A, luego de electrones A entra en el estado B. Y la mecánica cuántica puede realizar un seguimiento de este tipo de correlación a través del enredo de dos qubits.

Un electrón se encuentra en estado A. Pero antes de que se tome una medida, que en realidad debería expresar esto en términos de probabilidades: Un electrón tiene una probabilidad del 75 por ciento de estar en el estado A y un 25 -percent oportunidad de estar en el estado B. Para electrones B, se invierte precisamente: tiene una probabilidad del 75 por ciento de estar en el estado B y un 25 por ciento de posibilidades de estar en el estado A. Estos son los llamados estados de superposición y pueden ser natural representado por un qubit que está en un estado de superposición. Por enredo dos qubits, este estado de superposición se actualiza automáticamente, manteniendo la correlación entre los dos electrones al mismo tiempo.

En un equipo clásico, todo esto comportamiento tienen que ser calculados. El número de pasos de cálculo escalas exponencialmente con el número de electrones. De ahí que el hidrógeno molecular, con sólo dos electrones, tiene solución mientras que incluso el más pequeño de proteínas está bien fuera de su alcance

Por supuesto, hay un montón de detalles que hacen cálculos cuánticos difícil en la práctica. Por ejemplo, para el entrelazamiento y estado de superposición entre los electrones para representar con precisión la molécula le interesa, tiene que se acoplan entre sí a la perfección. Pero eso es exactamente lo que los investigadores han demostrado con este último resultado

Los investigadores utilizaron dos qubits de una computadora cuántica multiqubit para resolver estado fundamental y la longitud de la unión de una molécula de hidrógeno. Con esta información, la energía necesaria para tirar de hidrógeno, aparte también se calculó. Dado que el hidrógeno molecular se puede resolver en un ordenador clásico, los resultados podrían ser comprobados. En resumen: los resultados fueron muy precisa.

¿Cómo lo hicieron? Trataron dos métodos diferentes, pero sólo voy a discutir uno, llamado el principio de variación. La idea va como esto: si tengo una molécula, que tendrá un estado fundamental que corresponde a una función matemática. Dado cualquier función matemática, puedo calcular la energía de un estado asociado con esa función. Esta energía será siempre mayor o igual a la del estado fundamental.

Si se piensa en ello, verá por qué: el estado fundamental es la energía más bajo posible para una molécula, así que no hay función matemática asociada a ese estado de la tierra puede llegar a dar una energía más baja, solamente uno más alto. Esto proporciona la manera de conseguir de forma iterativa cada vez más cerca al estado fundamental: elija una cierta función que tiene algunos parámetros que se pueden jugar. Calcular la energía del estado fundamental, y luego variar esos parámetros para minimizar la energía. Repita hasta que se encuentre el mínimo absoluto. La función resultante será una aproximación muy cercana al verdadero estado fundamental.

Ahora que tiene la función, se puede calcular todo lo que le gustaría saber sobre la molécula. En cálculos de los investigadores, se obtienen energías con precisión dentro de una parte en 10.000, lo cual es muy bueno (se requiere una parte en 1.000 para obtener velocidades de reacción que están dentro de un orden de magnitud del valor correcto).

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