Квантовое моделирование в квантовой химии на квантовых компьютерах

Abstract

Эра квантово-химических расчетов на квантовых компьютерах берет свое начало в 2005 году после публикации в Nature краткого сообщения о точном решении молекулярного уравнения Шредингера на квантовом компьютере для молекул LiH и H2O при заданных базисах гауссовых функций, моделирующих атомные орбитали. Разработка квантовых алгоритмов для расчетов в квантовой химии идет стремительно и лавинообразно. Возникла потребность обобщить уже накопленные за 15 лет результаты, предпослав им необходимые сведения из квантовой информатики и квантовых вычислений. Книга может дать общее и вместе с тем достаточно полное представление о текущих достижениях в области квантовой химии на квантовых компьютерах.
Книга состоит из трех частей. Первая часть содержит обзор классической квантовой химии с ориентацией на три основных метода, наиболее часто используемых в расчетах на квантовых компьютерах ¬– это методы полного конфигурационного взаимодействия, связанных кластеров и моделей в теории функционалов плотности.
Во второй части даются основы квантовой информатики, квантовых вычислений и той математики, которая существенна для разработки и реализации квантовых алгоритмов. Заканчивается эта часть рассмотрением квантового алгоритма вычисления фазы, который собственно и был использован в первой публикации 2005 года.
Третья часть – основная в книге. Она вместе с Приложением дает общий и вместе с тем цельный обзор современного состояния квантово-химических расчетов на квантовых компьютерах. Вначале обсуждаются классические приближенные методы, их ограничения и вызовы, предъявляемые классической квантовой химией при расчете статических и динамических свойств многоэлектронных систем. Далее конспективно обсуждается ситуация с вычислительной сложностью в квантово-химических расчетах. Основное содержание третьей части составляет обсуждение квантовых алгоритмов для помехоустойчивых квантовых компьютеров и для так называемых промежуточных шумящих квантовых устройств. В заключение, в качестве примера, довольно подробно излагается техника счета молекулы водорода на квантовом компьютере.