曉查發(fā)自凹非寺

　　量子位報(bào)道公眾號(hào) QbitAI

　　今天，谷歌的量子計(jì)算機(jī)登上了 Science 封面，他們成功用 12 個(gè)量子比特模擬了二氮烯的異構(gòu)化反應(yīng)。

　　這已經(jīng)是谷歌量子計(jì)算機(jī)第二次登上頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊封面了。

　　去年 10 月，谷歌的量子計(jì)算機(jī)因?yàn)閷?shí)現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”登上了 Nature 封面，僅用了 200 秒就解決了超算需要 1 萬年才能求解的量子電路采樣問題。

　　這臺(tái)量子計(jì)算機(jī)還能干什么？谷歌說過，能模擬化學(xué)分子。不到一年時(shí)間，他們就做到了。

　　因?yàn)榉肿幼裱氖橇孔恿W(xué)，用量子計(jì)算來模擬也更為合理。只需更少的運(yùn)算量和信息，就能計(jì)算出化學(xué)物質(zhì)的性質(zhì)。

　　量子計(jì)算機(jī)模擬化學(xué)分子用處巨大。除了谷歌外，其他擁有量子計(jì)算技術(shù)的公司也在也研究，微軟就是其中一員。

　　上個(gè)月，微軟發(fā)表了一篇文章，用量子計(jì)算幫助化學(xué)家尋找催化劑，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲醛。展示了量子計(jì)算與化學(xué)結(jié)合的應(yīng)用前景。

　　量子化學(xué)還是得用量子計(jì)算機(jī)

　　薛定諤方程是量子化學(xué)的基礎(chǔ)，也是化學(xué)分子遵循的基本規(guī)律，求出方程的解，就能得到物質(zhì)的具體化學(xué)性質(zhì)。

　　但是求解薛定諤方程談何容易，隨著分子里原子數(shù)量的增多，解方程的運(yùn)算量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。

　　就拿化學(xué)里比較簡(jiǎn)單的苯分子（C6H6）來說，它只有 12 個(gè)原子，但是計(jì)算維度達(dá)到 1044，這是任何超級(jí)計(jì)算機(jī)都無法處理的。

　　為了簡(jiǎn)化求解過程，早在計(jì)算機(jī)出現(xiàn)之前，就有了一些近似方法，比如谷歌用到的“哈特里-?？朔匠?rdquo;。但即使經(jīng)過簡(jiǎn)化，運(yùn)算量也是巨大的。

　　更糟糕的是，在化學(xué)反應(yīng)過程中，也就是化學(xué)鍵解離時(shí)，分子系統(tǒng)的電子結(jié)構(gòu)會(huì)變得更加復(fù)雜，在任何超級(jí)計(jì)算機(jī)上都很難進(jìn)行相關(guān)的數(shù)值計(jì)算。

　　2018 年，有人提出了一種新的量子算法，運(yùn)算復(fù)雜度不再是指數(shù)增長(zhǎng)，而是呈多項(xiàng)式增長(zhǎng)，大大降低了運(yùn)算難度。

　　算法都具備了，就差一臺(tái)合適的量子計(jì)算機(jī)。

　　谷歌量子計(jì)算機(jī)模擬化學(xué)反應(yīng)

　　去年谷歌的 Sycamore 量子處理器實(shí)現(xiàn)了 53 個(gè)量子比特的糾纏，所以就用它來模擬幾個(gè)簡(jiǎn)單的化學(xué)分子試試看。

　　谷歌先計(jì)算 6 到 10 個(gè)氫原子組成的氫鏈的結(jié)合能。原始方法（下圖中的黃色）效果一般，與 VQE 等算法結(jié)合后，量子計(jì)算機(jī)求得的結(jié)果與真實(shí)值幾乎完全吻合。

　　以上是化學(xué)分子的靜態(tài)過程，接著，谷歌又用 Sycamore 模擬了一個(gè)簡(jiǎn)單的化學(xué)反應(yīng)：二氮烯的異構(gòu)化。

　　二氮烯在順式和反式之間躍遷的能隙是 40.2 毫哈特里，量子計(jì)算機(jī)給出的結(jié)果是 41±6 毫哈特里。

　　雖然精確度上比前面模擬氫原子鏈要差不少，但谷歌表示，這是“第一次使用量子計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理”。

　　本文的通訊作者 Ryan Babbush 說，雖然以上的結(jié)果不需要量子計(jì)算機(jī)就能模擬，但這項(xiàng)工作仍是量子計(jì)算向前邁出的一大步。

　　未來可以將這種算法擴(kuò)大規(guī)模，來模擬更復(fù)雜的反應(yīng)。而要模擬更大分子的反應(yīng)，還需要更多的量子比特。

　　Babbush 認(rèn)為，總有一天，我們甚至可以使用量子模擬開發(fā)新的化學(xué)物質(zhì)。

　　參考鏈接：

　　https://science.sciencemag.org/content/369/6507/1084

　　https://arxiv.org/abs/2004.04174

　　https://www.microsoft.com/en-us/research/publication/quantum-computing-enhanced-computational-catalysis/

　　https://www.newscientist.com/article/2253089-google-performed-the-first-quantum-simulation-of-a-chemical-reaction/

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的谷歌量子计算登《科学》封面 量子模拟了化学反应的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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