混合算法使用經(jīng)典的量子計(jì)算機(jī)來計(jì)算基態(tài)能量。這將幫助研究人員為不同的應(yīng)用開發(fā)新材料。圖片來源：妮可萊塔·巴羅里尼

科技日?qǐng)?bào)實(shí)習(xí)記者 張佳欣

量子計(jì)算機(jī)變得越來越大，但仍然很少有實(shí)用的方法來利用它們額外的計(jì)算能力。為了克服這一障礙，研究人員正在設(shè)計(jì)算法以簡(jiǎn)化從經(jīng)典計(jì)算機(jī)到量子計(jì)算機(jī)的過渡。在《自然》雜志16日發(fā)表的一項(xiàng)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(tǒng)計(jì)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(xiàng)目研究人員共同開發(fā)，在谷歌53量子比特“懸鈴木”上使用多達(dá)16個(gè)量子比特來計(jì)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(wèi)·賴希曼說：“這是有史以來在真正的量子設(shè)備上進(jìn)行的最大規(guī)模的量子化學(xué)計(jì)算?！?/p>

準(zhǔn)確計(jì)算基態(tài)能量的能力將使化學(xué)家能夠開發(fā)新材料，以加快農(nóng)業(yè)固氮和制造清潔能源的水解過程。

新算法使用了量子蒙特卡洛方法，這是一種計(jì)算概率的方法系統(tǒng)。研究人員使用該算法來確定三個(gè)分子的基態(tài)能量：使用8個(gè)量子比特計(jì)算滅螺旋劑；使用12個(gè)量子比特計(jì)算分子氮；使用16個(gè)量子比特計(jì)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(shù)量、它們自旋的方向，以及它們圍繞原子核運(yùn)行的路徑。這種電子能量被編碼在薛定諤方程中。隨著分子變大，在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上求解該方程變得愈加困難。量子計(jì)算機(jī)如何規(guī)避指數(shù)縮放問題一直是該領(lǐng)域的一個(gè)懸而未決的問題。

原則上，量子計(jì)算機(jī)應(yīng)該能夠處理指數(shù)級(jí)更大、更復(fù)雜的計(jì)算，比如求解薛定諤方程所需的計(jì)算，因?yàn)榻M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(shù)字不同，量子比特可同時(shí)以兩種狀態(tài)存在。然而，量子比特是脆弱的，容易出錯(cuò)：使用的量子比特越多，最終答案就越不準(zhǔn)確。此次開發(fā)的新算法利用經(jīng)典計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)的組合能力來更有效地求解化學(xué)方程，同時(shí)將量子計(jì)算機(jī)的錯(cuò)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(jì)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(xiàn)在包括了這一變量。研究人員說，從經(jīng)典計(jì)算機(jī)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(xiàn)，這一新的經(jīng)典—量子混合計(jì)算與一些經(jīng)典方法一樣準(zhǔn)確。這表明，與沒有量子計(jì)算機(jī)相比，使用量子計(jì)算機(jī)可更準(zhǔn)確、更快地解決問題，這是量子計(jì)算的一個(gè)關(guān)鍵里程碑。

關(guān)鍵詞： 基態(tài)能量 量子化學(xué)