曉查發自凹非寺

　　量子位報道公眾號 QbitAI

　　今天，谷歌的量子計算機登上了 Science 封面，他們成功用 12 個量子比特模擬了二氮烯的異構化反應。

　　這已經是谷歌量子計算機第二次登上頂級學術期刊封面了。

　　去年 10 月，谷歌的量子計算機因為實現了“量子優越性”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。

　　這臺量子計算機還能干什么？谷歌說過，能模擬化學分子。不到一年時間，他們就做到了。

　　因為分子遵循的是量子力學，用量子計算來模擬也更為合理。只需更少的運算量和信息，就能計算出化學物質的性質。

　　量子計算機模擬化學分子用處巨大。除了谷歌外，其他擁有量子計算技術的公司也在也研究，微軟就是其中一員。

　　上個月，微軟發表了一篇文章，用量子計算幫助化學家尋找催化劑，將二氧化碳轉化為甲醛。展示了量子計算與化學結合的應用前景。

　　量子化學還是得用量子計算機

　　薛定諤方程是量子化學的基礎，也是化學分子遵循的基本規律，求出方程的解，就能得到物質的具體化學性質。

　　但是求解薛定諤方程談何容易，隨著分子里原子數量的增多，解方程的運算量呈指數級增長。

　　就拿化學里比較簡單的苯分子（C6H6）來說，它只有 12 個原子，但是計算維度達到 1044，這是任何超級計算機都無法處理的。

　　為了簡化求解過程，早在計算機出現之前，就有了一些近似方法，比如谷歌用到的“哈特里-福克方程”。但即使經過簡化，運算量也是巨大的。

　　更糟糕的是，在化學反應過程中，也就是化學鍵解離時，分子系統的電子結構會變得更加復雜，在任何超級計算機上都很難進行相關的數值計算。

　　2018 年，有人提出了一種新的量子算法，運算復雜度不再是指數增長，而是呈多項式增長，大大降低了運算難度。

　　算法都具備了，就差一臺合適的量子計算機。

　　谷歌量子計算機模擬化學反應

　　去年谷歌的 Sycamore 量子處理器實現了 53 個量子比特的糾纏，所以就用它來模擬幾個簡單的化學分子試試看。

　　谷歌先計算 6 到 10 個氫原子組成的氫鏈的結合能。原始方法（下圖中的黃色）效果一般，與 VQE 等算法結合后，量子計算機求得的結果與真實值幾乎完全吻合。

　　以上是化學分子的靜態過程，接著，谷歌又用 Sycamore 模擬了一個簡單的化學反應：二氮烯的異構化。

　　二氮烯在順式和反式之間躍遷的能隙是 40.2 毫哈特里，量子計算機給出的結果是 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“第一次使用量子計算機預測化學反應機理”。

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

　　未來可以將這種算法擴大規模，來模擬更復雜的反應。而要模擬更大分子的反應，還需要更多的量子比特。

　　Babbush 認為，總有一天，我們甚至可以使用量子模擬開發新的化學物質。

　　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

以上是生活随笔為你收集整理的谷歌量子计算突破登Science封面！首次对化学反应进行量子模拟的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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