量子計算機可以模擬化學(xué)過程，從新藥開發(fā)到新材料的方方面面，它都能帶來重大影響，人們對此寄予厚望。在瑞典，查爾姆斯理工大學(xué)的研究人員首次使用量子計算機在實際化學(xué)中進行計算。

領(lǐng)導(dǎo)這項研究的化學(xué)與化學(xué)工程系理論化學(xué)副教授Martin Rahm說道：“理論上，量子計算機可以用來處理電子和原子核更復(fù)雜的運動情況。如果能充分利用它的潛力，我們就可以推進計算的發(fā)展?！?/p>

在量子化學(xué)領(lǐng)域，人們借助量子力學(xué)定律來分析哪些化學(xué)反應(yīng)是可能的，哪些結(jié)構(gòu)和材料可以深入研究，以及它們具有什么特性。此類研究通常是利用超級計算機來實現(xiàn)，這類計算機是由傳統(tǒng)的邏輯電路構(gòu)建而成。然而，傳統(tǒng)計算機可以處理的計算是有限的。許多研究人員認(rèn)為，由于量子力學(xué)定律是在亞原子水平上描述自然界的行為，量子計算機應(yīng)該比傳統(tǒng)計算機更好地執(zhí)行分子計算。

Martin Rahm說：“這個世界上的大多數(shù)東西本質(zhì)上都是化學(xué)類。例如，在生物學(xué)以及新舊汽車迭代中，我們的能量載體由電子和原子核組成，以不同的方式排列在分子和材料中。在量子化學(xué)領(lǐng)域要解決的問題是：研究它們的特性，計算這些排列組合中哪些更有可能或更有利?！?/p>

新的方法最大限度地減少了量子化學(xué)計算中的錯誤。

量子計算機還處于發(fā)展初級階段，運行的小型模型計算因量子計算機周圍環(huán)境的噪聲影響而變得復(fù)雜。然而，Martin Rahm和他的同事們向前邁出了重要一步，他們找到了一種方法。該方法稱為參考狀態(tài)錯誤緩解（REM），其工作原理是利用量子計算機和傳統(tǒng)計算機的計算來糾正由于噪聲引起的錯誤。

Martin Rahm說：“這項研究是一個概念驗證，我們的方法可以提高量子化學(xué)計算的質(zhì)量。這是一個有用的工具，我們將用它來改進量子計算機的計算?！?/p>

首先，通過在傳統(tǒng)計算機和量子計算機上描述和解決相同的問題來設(shè)定參考狀態(tài)。這種參考狀態(tài)是對分子進行更簡單的描述，而不代表量子計算機打算解決的是原始問題，傳統(tǒng)的計算機可以快速解決更簡單的問題。通過比較兩臺計算機的結(jié)果，可以精確估計噪聲引起的誤差量。

然后，當(dāng)在量子處理器上運行時，可以參考兩臺計算機在解決方案之間的差異來糾正原始的、更復(fù)雜的問題解決方案。通過將這種新方法與查爾姆斯量子計算機S?rimner的數(shù)據(jù)相結(jié)合，研究人員成功地計算了氫和氫化鋰等小分子的內(nèi)在能量，這是瑞典量子計算機上量子化學(xué)計算的首次演示。新方法代表了一次重要的進展。Martin Rahm說：“當(dāng)下一代量子計算機準(zhǔn)備就緒時，該方法將會進一步發(fā)展，可以計算更大，更復(fù)雜的分子?！?/p>

查爾姆斯建造的量子計算機

這項研究是與微技術(shù)和納米科學(xué)系的研究人員密切合作進行的。他們建造了量子計算機，輔助執(zhí)行化學(xué)計算所需的敏感測量。微技術(shù)和納米科學(xué)系量子技術(shù)副教授Jonas Bylander說：“只有通過使用真正的量子算法，才能了解我們的硬件是如何工作的，以及知曉如何改進它。我們認(rèn)為化學(xué)計算是量子計算機未來應(yīng)用的第一個領(lǐng)域之一，因此我們與Martin Rahm團隊的合作特別有價值?！?/p>

關(guān)于該研究其他信息

該研究是與瓦倫堡量子技術(shù)中心（WACQT）和歐盟項目OpensuperQ合作進行的。OpensuperQ聯(lián)合了10個歐洲國家的大學(xué)和公司，旨在建造一臺量子計算機，它將為查爾姆斯理工大學(xué)的研究人員進一步提供資金，用于他們在量子化學(xué)計算方面的工作。

S?rimner是具有五個量子比特的量子處理器，由查爾默斯在瓦倫堡量子技術(shù)中心（WACQT）構(gòu)建。它的名字借用了北歐神話，神話中的豬S?rimner每天都被屠宰和食用，然后復(fù)活?，F(xiàn)在，S?rimner被一臺擁有25個量子比特的量子計算機所“取代”，WACQT的目標(biāo)是構(gòu)建一臺具有100個量子比特的量子計算機，其功能將遠遠超出當(dāng)今最好的傳統(tǒng)超級計算機。

編譯：卉可

編輯：慕一

特此說明：量子前哨翻譯此文僅作信息傳遞和參考，并不意味著同意此文中的觀點與數(shù)據(jù)。