在真實(shí)量子設備上實(shí)現迄今最大規模量子化學(xué)計算

　　經(jīng)典-量子混合算法更有效計算基態(tài)能量

　　科技日報北京3月16日電 （實(shí)習記者張佳欣）量子計算機變得越來(lái)越大，但仍然很少有實(shí)用的方法來(lái)利用它們額外的計算能力。為了克服這一障礙，研究人員正在設計算法以簡(jiǎn)化從經(jīng)典計算機到量子計算機的過(guò)渡。在《自然》雜志16日發(fā)表的一項新研究中，美國研究人員公布的一種算法，可減少量子比特在處理化學(xué)方程式時(shí)產(chǎn)生的統計誤差或噪音。

　　該算法由哥倫比亞大學(xué)和谷歌量子人工智能項目研究人員共同開(kāi)發(fā)，在谷歌53量子比特“懸鈴木”上使用多達16個(gè)量子比特來(lái)計算基態(tài)能量，即分子的最低能量狀態(tài)。哥倫比亞大學(xué)化學(xué)教授大衛·賴(lài)希曼說(shuō)：“這是有史以來(lái)在真正的量子設備上進(jìn)行的最大規模的量子化學(xué)計算。”

　　準確計算基態(tài)能量的能力將使化學(xué)家能夠開(kāi)發(fā)新材料，以加快農業(yè)固氮和制造清潔能源的水解過(guò)程。

　　新算法使用了量子蒙特卡洛方法，這是一種計算概率的方法系統。研究人員使用該算法來(lái)確定三個(gè)分子的基態(tài)能量：使用8個(gè)量子比特計算滅螺旋劑；使用12個(gè)量子比特計算分子氮；使用16個(gè)量子比特計算固體鉆石。

　　基態(tài)能量受到變量的影響，例如分子中的電子數量、它們自旋的方向，以及它們圍繞原子核運行的路徑。這種電子能量被編碼在薛定諤方程中。隨著(zhù)分子變大，在經(jīng)典計算機上求解該方程變得愈加困難。量子計算機如何規避指數縮放問(wèn)題一直是該領(lǐng)域的一個(gè)懸而未決的問(wèn)題。

　　原則上，量子計算機應該能夠處理指數級更大、更復雜的計算，比如求解薛定諤方程所需的計算，因為組成它們的量子比特利用了量子態(tài)。與由1和0組成的二進(jìn)制數字不同，量子比特可同時(shí)以?xún)煞N狀態(tài)存在。然而，量子比特是脆弱的，容易出錯：使用的量子比特越多，最終答案就越不準確。此次開(kāi)發(fā)的新算法利用經(jīng)典計算機和量子計算機的組合能力來(lái)更有效地求解化學(xué)方程，同時(shí)將量子計算機的錯誤降至最低。

　　之前求解基態(tài)能量的記錄使用了12個(gè)量子比特和一種稱(chēng)為變分量子本征解算器的方法（VQE）。但VQE忽略了相互作用電子的影響，這是計算基態(tài)能量的一個(gè)重要變量。新的量子蒙特卡羅算法現在包括了這一變量。研究人員說(shuō)，從經(jīng)典計算機中添加虛擬關(guān)聯(lián)技術(shù)可幫助化學(xué)家處理更大的分子。

　　研究發(fā)現，這一新的經(jīng)典-量子混合算法與一些經(jīng)典方法一樣準確。這表明，與沒(méi)有量子計算機相比，使用量子計算機可更準確、更快地解決問(wèn)題，這是量子計算的一個(gè)關(guān)鍵里程碑。