直接计算能量导数对分子进行几何优化

科技日报讯 （实习记者张佳欣）据最新一期《物理化学通讯杂志》报道，日本大阪市立大学的研究小组成功扩展了量子相位差估计算法。这是一种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，使研究人员能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，该研究小组还应用所开发的能量导数计算对H_2、LiH、BeH_2和N_2分子进行了几何优化，而无需计算总能量，证明了该方法的有效性。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。

近年来，量子计算机的研究和发展取得了长足进步，原子和分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应用于化学及相关领域，开发几何优化方法以寻找最稳定的分子结构是必不可少的。几何优化需要计算相对于分子核坐标的能量导数。

有限差分法是计算能量导数的一种方法。在经典计算机上，基于这种方法对一维系统的计算至少需要两次能量评估。以前的研究表明，相比之下，量子计算机只需要一次就可基于有限差分方法计算能量导数，无需考虑自由度的多少。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一直未能实现。

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进展。研究人员表示，最新发现让人们离将量子计算机上的量子化学计算应用于现实世界的目标又近了一步。由于能量导数计算不仅用于分子几何优化，而且还用于分子性质的各种计算，新方法的应用有望在广泛的相关领域发挥重要作用，例如计算机药物发现或设计、材料开发等。