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 。
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
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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 。
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
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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(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 。
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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 。
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
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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 。
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 —
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