Dinamica molecolare con effetti quantistici nucleari sui computer quantistici

Abstract degli autori

Gli effetti quantistici nucleari sono fondamentali per descrivere il trasferimento di protoni e i legami a idrogeno, ma integrarli nei calcoli di chimica quantistica è spesso computazionalmente proibitivo sull’hardware classico. Una promettente alternativa è rappresentata dai computer quantistici, grazie al fatto che i requisiti di memoria scalano linearmente con le dimensioni del sistema. Presentiamo un nuovo algoritmo ibrido quantistico-classico per la dinamica molecolare ab initio che incorpora gli effetti quantistici nucleari attraverso il metodo degli orbitali nucleari-elettronici. L’algoritmo proposto calcola sul computer quantistico le energie dello stato fondamentale e le forze mediante un risolutore quantistico variazionale degli autovalori, mentre le geometrie molecolari vengono aggiornate classicamente. Convalidiamo il nostro approccio attraverso simulazioni di $\text{H}_2$, $\text{H}_2\text{O}$ e dello ione Zundel $\text{H}_5\text{O}_2^+$, confrontando gli spettri vibrazionali simulati con i dati sperimentali. Includendo gli effetti quantistici nucleari, il moto di spola del protone nello ione Zundel diventa di fatto privo di barriere e gli errori nelle frequenze simulate diminuiscono significativamente. Utilizzando circuiti ansatz compatti ed efficienti dal punto di vista dell’hardware, otteniamo risultati paragonabili a quelli degli ansatz UCCSD, più accurati; ciò suggerisce che sia possibile eseguire il nostro algoritmo su dispositivi quantistici a breve termine.