今天所設(shè)想大型、可糾正錯誤的量子計算機可能還需要幾十年的時間，但科學(xué)家們正積極地試圖找到使用現(xiàn)有和近期量子處理器來解決有用問題的方法，盡管由于錯誤或“噪音”而受到限制。

一個關(guān)鍵的應(yīng)用是模擬分子特性，從長遠來看，這將促使材料改進和藥物發(fā)現(xiàn)的進步，但不會因為嘈雜的計算而混淆結(jié)果?，F(xiàn)在，弗吉尼亞理工大學(xué)一個化學(xué)和物理研究小組設(shè)計了一種算法，可以在嘈雜的量子計算機上更有效地計算分子性質(zhì)，從而實現(xiàn)了先進的量子模擬。

弗吉尼亞理工大學(xué)科學(xué)學(xué)院的教員Ed Barnes, Sophia Economou和Nick Mayhall在《自然通訊》上發(fā)表了這項研究成果。人們期望量子計算機能夠比現(xiàn)在使用的“經(jīng)典”計算機更有效地進行某些類型計算。然而與經(jīng)典計算機相似之處在于，量子計算機通過將邏輯門序列（在研究中是“量子門”，它們共同構(gòu)成量子電路）應(yīng)用于信息比特來運行算法。對于今天有噪聲的量子計算機來說，問題在于太多的噪聲會累積在一個電路中，以致于計算會降低，并使以后的計算變得不準確。

科學(xué)家們很難設(shè)計出既短又準確的電路，弗吉尼亞理工大學(xué)的團隊通過開發(fā)一種以迭代方式增長電路的方法解決了這個問題?；瘜W(xué)系助理教授梅霍爾(Mayhall)說：我們從一個最小的電路開始，然后在短路中一個接一個地增加邏輯門，直到計算機找到解決方案。該算法的第二個主要優(yōu)點是，Barnes、Economou和Mayhall根據(jù)模擬的分子系統(tǒng)對其進行了自我調(diào)整。不同分子將決定他們自己的電路，為他們量身定做。

弗吉尼亞理工大學(xué)化學(xué)系和物理系之間的跨學(xué)科合作（barnes、Economou和Mayhall以及來自這兩個系的研究生和博士后團隊）已經(jīng)獲得了國家科學(xué)基金會和美國能源部總計280多萬美元的資助。弗吉尼亞理工大學(xué)和IBM建立了合作關(guān)系，允許研究人員使用IBM的量子計算硬件。物理系副教授伊科諾穆(Economou)說：在弗吉尼亞理工大學(xué)的團隊對我們下一步的工作非常興奮，其中包括在IBM處理器上實現(xiàn)我們的算法。化學(xué)系統(tǒng)的量子模擬是量子計算機近期最有前途的應(yīng)用之一。

變分量子本征求解器是一種在量子硬件上進行分子模擬的領(lǐng)先算法，但它有一個嚴重的局限性，那就是通常依賴于預(yù)先選擇的波函數(shù)ansatz，從而得到近似波函數(shù)和能量。新研究提出了一個任意精確的變分算法，它不是預(yù)先固定一個ansatz，而是系統(tǒng)地以模擬分子的方式一次增加一個操作符。這產(chǎn)生了一個ansatz與少量的參數(shù)，導(dǎo)致淺深度電路。研究提供了數(shù)值模擬，包括一個典型的強相關(guān)分子，這表明算法在電路深度和化學(xué)精度方面都比單一耦合聚類方法表現(xiàn)得好得多，探究結(jié)果強調(diào)了自適應(yīng)算法在當前和近期量子硬件精確模擬中的潛力。

博科園｜研究/來自：Virginia Tech

參考期刊《自然通訊》

DOI: 10.1038/s41467-019-10988-2

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