（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）

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近日，科學(xué)家們使用谷歌的Sycamore（懸鈴木）量子處理器開展了超大規(guī)模的化學(xué)模擬實驗，并開發(fā)出了一種新技術(shù)，這種技術(shù)有助于抵抗量子電路中常見的噪聲。該研究成果論文已發(fā)表在《Nature》雜志上。

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從理論上講，量子計算機(jī)依托量子優(yōu)勢，將解決一些經(jīng)典計算機(jī)無法解決的問題。隨著量子比特數(shù)目的增長，量子計算機(jī)的計算能力將會呈指數(shù)級增長。

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在化學(xué)領(lǐng)域，量子計算機(jī)可以進(jìn)行分子反應(yīng)模擬，從而加速下一代電池或新藥的研發(fā)進(jìn)程。因為隨著分子數(shù)量增多，執(zhí)行這類模擬所需的算力也將呈指數(shù)級增長，這對傳統(tǒng)計算機(jī)來說可能是一個巨大的挑戰(zhàn)，但量子計算將可以發(fā)揮量子優(yōu)勢來實現(xiàn)。

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在新研究中，由谷歌量子AI團(tuán)隊、哥倫比亞大學(xué)和加州大學(xué)伯克利分校的研究人員組成的研究團(tuán)隊，通過結(jié)合經(jīng)典和量子計算的混合模式，采用蒙特·卡洛算法對H4、氮和固體金剛石分子進(jìn)行了大量隨機(jī)模擬計算以尋找分子基態(tài)。

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我們知道，分子基態(tài)受到電子數(shù)量以及電子在圍繞原子核運(yùn)行時的路徑等因素的影響，此次模擬實驗中涉及到超過120個路徑的計算。與此同時，該團(tuán)隊使用了懸鈴木的16個量子比特來完成整個計算中最復(fù)雜的步驟——計算分子基態(tài)。相比于第一次在懸鈴木上進(jìn)行量子化學(xué)計算，此次實驗中多使用了4量子比特。該團(tuán)隊稱，這是迄今為止懸鈴木在化學(xué)領(lǐng)域開展的最大規(guī)模的模擬實驗。

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該研究論文的作者之一、谷歌量子AI團(tuán)隊成員、量子物理學(xué)家William Huggins說：“此前，在懸鈴木上進(jìn)行的化學(xué)模擬實驗采用的是12量子比特和一種稱為變分量子本征求解（VQE）算法，但結(jié)果含有一定誤差。例如，當(dāng)我們要從VQE中獲得非常精確地答案時，量子電路中的噪聲會給結(jié)果造成誤差?！?/p>

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該研究論文作者之一、哥倫比亞大學(xué)量子物理學(xué)家Joonho Lee表示：“VQE還需要花費(fèi)很多時間進(jìn)行測量才能得出更精確的答案。除此之外，在整個過程中必須盡可能地優(yōu)化量子電路參數(shù)，從而保證尋找到基態(tài)近似值，這也帶來了更大的成本消耗。”

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Huggins還補(bǔ)充道，“早前的方法還有一個潛在問題：量子比特敏感脆弱、易出錯。而利用新的技術(shù)可以完全不受噪聲影響。”

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Lee表示：“我們在論文中提供了有力地證據(jù)，充分證明了在這場超大規(guī)模實驗中，芯片上的噪聲不是限制因素。但對于近似基態(tài)的電路設(shè)計還有欠缺。因此，即使沒有開發(fā)新的理論工具，我們也能進(jìn)一步改善目前的方法，要知道在NISQ設(shè)備上執(zhí)行量子化學(xué)的精確計算是多么困難，而新技術(shù)點(diǎn)亮了一個真正的‘希望燈塔’?！?/p>

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這項新技術(shù)的精度幾乎與目前最好的經(jīng)典方法一樣高。Huggins說：盡管讓NISQ量子計算機(jī)在量子化學(xué)計算模擬上發(fā)揮出實際優(yōu)勢極具挑戰(zhàn)性，但未來我們有望取得重大進(jìn)展，能夠切實地解決對經(jīng)典算法構(gòu)成計算挑戰(zhàn)的問題。

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據(jù)了解，該團(tuán)隊的下一步計劃是進(jìn)行更大規(guī)模的實驗。Lee說：“我們正在試圖突破當(dāng)前懸鈴木的噪音限制。隨著我們在開發(fā)和理解新算法方面取得進(jìn)步，我們也期望在硬件以及軟件方面取得新進(jìn)展，從而推進(jìn)量子化學(xué)的應(yīng)用?！?/p>

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論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04351-z

原文鏈接：

https://spectrum.ieee.org/quantum-chemistry-largest

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文：CHARLES Q. CHOI

編譯：卉可

編輯：慕一
注：本文編譯自“IEEE Spectrum”，不代表量子前哨觀點(diǎn)。

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