美國谷歌的量子黑科技實現了最大規模的化學模擬
2020-10-04 量子客昨日，谷歌宣布，其量子研究團隊在量子計算機上模擬了迄今最大規模的化學反應。黑科技量子計算機，再次震驚震動計算機界、量子技術界以及化學界。
其重大研究成果於今日榮登《Science》雜誌的封面，題為《Hartree-Fock on a Superconducting Qubit Quantum Computer》。
該研究成果將徹底的改變理論化學，從而改善各種行業，如醫學、工業等。
圖1 | 8月28日Science封面（來源：Science）
化學模擬的突破
化學過程的模擬對於經典計算機來說，由於其複雜的反應過程，呈指數級增長的計算量，只能望洋興嘆。
而量子計算機雖然在某些方面能獲得明顯的計算優勢，但是對於複雜的化學反應過程實現高精度的模擬仍然是一個有待研究的問題。
而谷歌卻實現了這個令人興奮的研究成果。研究人員運用量子計算機模擬了一個由兩個氮原子和兩個氫原子組成的二氮烯分子的異構化反應。
結果表明，通過量子計算機進行的化學反應模擬與研究人員在經典計算機上進行的模擬結果一致，從而驗證了此次實驗成果的正確性。
圖2 | 用於演示量子優越性和量子化學模擬的量子計算機（來源：谷歌）
實現方式
該研究成果相關論文已發布在《Science》雜誌，論文中展示了其具體的實現方法。通過使用量子設備對分子電子能量進行Hartree-Fock計算，並通過變分量子本徵求解（VQE）來進行糾錯處理完善其性能，來實現對化學過程進行準確的計算預測。
Google 團隊已經發布了相關的實驗代碼於github，人們可以從化學量子計算的開源庫 OpenFermion進行獲取。
圖3 | 在 Sycamore 處理器的 10 個量子比特上模擬 Hartree-Fock 模型對分子幾何形狀進行能量預測（來源：谷歌）
該實驗證明了許多用於量子化學模擬的關鍵構建模塊，並為實現化學領域的量子優勢鋪平了道路。
一個令人興奮的前景是，人們已經知道如何以一種簡單的方式修改這個實驗中使用的量子線路，使它們可以有效地進行模擬，這將為改進的量子算法和應用確定新的方向。
而值得一提的是，此次實驗基於Sycamore 處理器，該處理器於去年10月助力谷歌實現了量子優勢。而所採用的Hartree-Fock模型，是谷歌先前為優化化學模擬而開發的算法的重要電路組件，採用的變分量子本徵求解（VQE），谷歌於幾年前開發的實現糾錯處理方法時就運用到，可見，谷歌此次在化學模擬上的突破並非偶然，而是厚積薄發的結果。
谷歌表示，希望這個實驗可以作為如何在量子處理器上進行化學計算的藍圖，也可以作為通往物理模擬優勢的起點。
量子計算機這款黑科技，真正一步步被用起來了。
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