量子|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
_原题为 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
晓查 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI
今天 ， 谷歌的量子计算机登上了Science封面 ， 他们成功用12个量子比特模拟了二氮烯的异构化反应 。
文章图片
这已经是谷歌量子计算机第二次登上顶级学术期刊封面了 。
去年10月 ， 谷歌的量子计算机因为实现了“量子优越性”登上了Nature封面 ， 仅用了200秒就解决了超算需要1万年才能求解的量子电路采样问题 。
这台量子计算机还能干什么？谷歌说过 ， 能模拟化学分子 。 不到一年时间 ， 他们就做到了 。
文章图片
因为分子遵循的是量子力学 ， 用量子计算来模拟也更为合理 。 只需更少的运算量和信息 ， 就能计算出化学物质的性质 。
量子计算机模拟化学分子用处巨大 。 除了谷歌外 ， 其他拥有量子计算技术的公司也在也研究 ， 微软就是其中一员 。
上个月 ， 微软发表了一篇文章 ， 用量子计算帮助化学家寻找催化剂 ， 将二氧化碳转化为甲醛 。 展示了量子计算与化学结合的应用前景 。
文章图片
量子化学还是得用量子计算机
薛定谔方程是量子化学的基础 ， 也是化学分子遵循的基本规律 ， 求出方程的解 ， 就能得到物质的具体化学性质 。
但是求解薛定谔方程谈何容易 ， 随着分子里原子数量的增多 ， 解方程的运算量呈指数级增长 。
就拿化学里比较简单的苯分子（C6H6）来说 ， 它只有12个原子 ， 但是计算维度达到1044 ， 这是任何超级计算机都无法处理的 。
文章图片
为了简化求解过程 ， 早在计算机出现之前 ， 就有了一些近似方法 ， 比如谷歌用到的“哈特里-福克方程” 。 但即使经过简化 ， 运算量也是巨大的 。
更糟糕的是 ， 在化学反应过程中 ， 也就是化学键解离时 ， 分子系统的电子结构会变得更加复杂 ， 在任何超级计算机上都很难进行相关的数值计算 。
2018年 ， 有人提出了一种新的量子算法 ， 运算复杂度不再是指数增长 ， 而是呈多项式增长 ， 大大降低了运算难度 。
算法都具备了 ， 就差一台合适的量子计算机 。
文章图片
谷歌量子计算机模拟化学反应
去年谷歌的Sycamore量子处理器实现了53个量子比特的纠缠 ， 所以就用它来模拟几个简单的化学分子试试看 。
谷歌先计算6到10个氢原子组成的氢链的结合能 。 原始方法（下图中的黄色）效果一般 ， 与VQE等算法结合后 ， 量子计算机求得的结果与真实值几乎完全吻合 。
文章图片
以上是化学分子的静态过程 ， 接着 ， 谷歌又用Sycamore模拟了一个简单的化学反应：二氮烯的异构化 。
文章图片
二氮烯在顺式和反式之间跃迁的能隙是40.2毫哈特里 ， 量子计算机给出的结果是41±6毫哈特里 。
虽然精确度上比前面模拟氢原子链要差不少 ， 但谷歌表示 ， 这是“第一次使用量子计算机预测化学反应机理” 。
本文的通讯作者Ryan Babbush说 ， 虽然以上的结果不需要量子计算机就能模拟 ， 但这项工作仍是量子计算向前迈出的一大步 。
未来可以将这种算法扩大规模 ， 来模拟更复杂的反应 。 而要模拟更大分子的反应 ， 还需要更多的量子比特 。
Babbush认为 ， 总有一天 ， 我们甚至可以使用量子模拟开发新的化学物质 。
参考链接：
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/
— 完 —
本文系网易新闻?网易号特色内容激励计划签约账号【量子位】原创内容 ， 未经账号授权 ， 禁止随意转载 。
_原题为 《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》
【量子|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】阅读原文
推荐阅读
- 芯片|交大团队攻克两种光子芯片技术，创立国内首家光量子计算公司
- 考试|今年全国计算机考试11月18日开始报名
- 实践|全国高等学校计算机实践教学论坛2020会议在合肥召开
- 手机|智能AI：手机更懂用户的心
- Gartner|Gartner：疫情推动技术转向，DNA存储、新计算架构将兴起
- 量子|中国电信、国盾量子等合资成立新公司，从事量子通信网络建设等
- 量子|中国电信携手国盾量子：为一千万移动端用户提供量子安全通话
- 通信|中信建投：量子通信发展提速 工信部可能规划5G行业专用频谱（附股）
- 企业|多元可信计算生态，助力全球网络安全健康发展
- 谷歌|危机与选举同时到来 日媒：美国经济呈现“大转变”色彩