科学|谷歌量子计算登《科学》封面 量子模拟了化学反应
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（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 。
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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 。
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