谷歌量子計(jì)算突破登Science封面！首次對(duì)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行量子模擬

曉查 2020-08-28 12:51:20 來(lái)源：量子位

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(wàn)年才能求解的量子電路采樣問(wèn)題。

這臺(tái)量子計(jì)算機(jī)還能干什么？谷歌說(shuō)過(guò)，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(lái)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(lái)說(shuō)，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(wú)法處理的。

為了簡(jiǎn)化求解過(guò)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-?？朔匠獭?。但即使經(jīng)過(guò)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(guò)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(lái)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(guò)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(shuō)，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(lái)可以將這種算法擴(kuò)大規(guī)模，來(lái)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(kāi)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/