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。

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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。

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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。

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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（C 6 H 6 ）来说，它只有12个原子，但是计算维度达到10 44 ，这是任何超级计算机都无法处理的。

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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。

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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。

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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。

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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。

— 完—

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