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作者：袁允斌 來源：中國化工報 2020年10月30日
收藏談到未來技術，量子科技肯定佔有一席之地。日前，中央政治局會議就量子科技研究和應用前景進行了集體學習，並要求加強量子科技發展戰略謀劃和系統布局。對於量子科技領域，這很可能表明我國量子領域發展即將進入快車道，並有望迎來政策方面更大的扶持力度。那麼，量子科技是什麼?它又能給化學化工行業帶來什麼?
量子科技概念為何
所謂量子科技，或者說量子技術，最簡單的說法就是利用量子力學原理進行應用的技術。而所謂量子力學，是指描述微觀世界的物理理論;所謂量子，是能表現出某物質或物理量特性的最小單元。換言之，量子科技實際就是利用量子力學為我們所應用的技術。實際上，目前已經有許多量子科技為人們所用，如雷射、半導體和核磁共振。當然，目前其他媒體所描述的量子科技，更多偏向於量子計算和量子密碼學領域，量子科技的涵蓋範圍其實遠不止於此。
談量子科技，不能不談量子力學。實際上，量子力學作為描述微觀世界的總體物理理論，內部包含了許多分支，實際上與牛頓力學、電磁學、熱力學、相對論等物理理論平行，是現代物理學的基礎理論。只不過由於微觀世界的固有特性難以被人直觀想像，且量子力學的基礎數學工具過於複雜，量子力學總是給人一種玄幻的感覺。
對於化學領域來說，量子力學與這一領域最重要的結合是量子化學。由於任何物質的化學性質均是由其原子或分子的電子結構所決定，理論上說，能夠描述微觀粒子物理特性的量子力學可以用來描述化學物質的電子分布，進而可以更好的理解物質的化學性質，從而為化學化工的一些應用鋪路。
量子化學早有研究
雖然量子科技這個詞本身就有一點「未來感」，但實際上，量子科技早就已經有很多重要應用問世了。
早在量子力學發展之前的19世紀，科學家就已經發現了半導體。半導體的原理，正是來自於所用材料原子的一些特性。現代社會正是建立在半導體製造的各種電子元件上的。另外一個有決定性意義的應用是雷射，它的原理是愛因斯坦提出的受激發射。雷射是信息傳輸的基礎，幾乎所有的高速信息傳輸都建立在光纖的基礎上，計算機也有大量的雷射應用。
在化學研究中，電子顯微鏡和核磁共振是絕對不可或缺的技術。電子顯微鏡是利用電子成像的顯微鏡，這個理念本身就來自於物質的波粒二象性。核磁共振的原理則來自於原子核自旋產生的磁矩，在外磁場作用下自旋能級發生塞曼效應，共振吸收某一定頻率的射頻輻射的物理過程。今天，核磁共振除了在醫學方面有重要應用外，在化學領域也是分析判斷物質結構的不可或缺的手段。
量子化學是量子力學與化學的交叉學科。由於物質的化學變化在本質上是微觀世界中相互接觸的分子間發生原子或電子的轉換或轉移，要想真正研究化學變化，必然要涉及量子力學。
1925年和1926年，海森堡和薛丁格各自建立了矩陣力學和波動力學，這既標誌著量子力學的誕生，也為化學家提供了認識物質化學結構的新理論工具。1927年，海特勒和倫敦將量子力學處理原子結構的方法應用於氫氣分子，並成功定量闡釋了兩個中性原子形成化學鍵的過程。之後，化學家們在兩位物理學家對氫氣分子研究的基礎上建立了3套闡釋分子結構的理論，分別是鮑林在最早的氫分子模型基礎上發展的價鍵理論，馬利肯和休克爾的分子軌道理論以及貝特的配位場理論。價鍵理論、分子軌道理論以及配位場理論是量子化學描述分子結構的三大基礎理論。
量子化學同樣有嚴格的數學基礎，和量子力學一樣，其數學基礎來自於薛丁格方程。為了將薛丁格方程導入量子化學領域，1928年，哈特裡和福克分別提出了哈特裡方程和補充了泡利規則的哈特裡—福克方程。為了求解哈特裡—克方程，1951年，羅特漢發展出了著名的RHF方程，這個方程以及在這個方程基礎上進一步發展的方法是現代量子化學處理問題的主要方法。隨後，福井謙一、伍德沃德和霍夫曼在此基礎上逐漸提出更加簡化的數學模型，迴避高深的數學運算，將量子化學理論更直觀的應用於對化學反應的定性處理。
量子計算是為關鍵
不過，量子化學目前最大的瓶頸也就很明顯了。那就是即使經過多重簡化，其數學模型也太過複雜。多體薛丁格方程極其複雜，至今仍沒有精確解法，而即便是近似解，所需要的計算量也是驚人的：一個擁有100個電子的小分子體系，在求解RHF方程的過程中僅雙電子積分一項就有1億個之巨，這樣的計算顯然是當時的人力所不能完成的。即使擁有計算機和目前先進的量子化學軟體，量子化學研究也並不輕鬆。除了目前的demo系統以外，其他量子化學方程的精確解對於傳統計算機來說顯得太遙遠。可以說，運算是量子化學指導化學應用的一大制約因素。理論上說，量子化學可以幫助研究人員從本質上理解物質的化學性質，但實際上，量子化學在材料學上的應用寥寥無幾。
量子計算的發展給了量子化學重要的發展契機。由於量子計算可以輕鬆處理多變量問題，它可以相對比較容易的實現化學過程模擬。今年8月，谷歌AI團隊宣布，其使用量子計算機對化學反應路徑進行建模取得了突破性進展，這是迄今為止首次，也是最大規模的化學量子計算。在反應中，兩個氮原子和兩個氫原子組成了二氮烯分子。其過程是，氫原子在氮原子周圍不斷移動形成了不同的結構。經過檢測發現，量子模擬與傳統計算機上執行的模擬結果基本吻合，由此可以確定量子模擬的有效性。雖然氮氫反應是較為基礎的化學反應，甚至不需要配備量子計算機來模擬就可以輕鬆得出結果，但研究人員介紹，此項研究驗證了當前量子計算機開發的算法可以達到實驗預測所需的精度，開拓了一條通往量子化學系統逼真的模擬路徑。接下來，他們會將量子模擬的算法擴大到更複雜更大分子的化學反應中，而這只需要更多的量子位和較小的算法調整即可。
如果量子化學在量子計算的助力下獲得突破性進展，整個化學化工行業的研發會出現顛覆性改變。未來，科學家甚至可以使用量子模擬來開發新的化學物質。如果理論化學走在實驗化學前方的這一天到來，科學家完全可以先設計某種性能的物質，並通過模擬的方法找到最優的合成方式，最後投入生產。
目前，化工業界的很多企業已經開始重視量子技術。科思創亞太區創新負責人施馬可在接受本報採訪時就表示，量子計算技術開闢了數位化研發的全新領域。藉助量子計算，研發人員可以在很短時間內對複雜的化學反應過程進行數字模擬和評估。他相信，量子計算會很快從量變到質變。長遠來看，隨著量子計算機性能的提高，技術更加成熟，有可能部分取代目前在運用的高性能計算機。