IBM公司通過量子計算模擬複雜化學反應

最近，由IBM公司科學家們開發的一種新型演算法正在改進複雜化學反應的理解方式，同時還針對量子計算進行了相關優化。

目前，科學家們已研發出了一種全新的方法以完成分子模擬，該方法通過使用配備有7量子位處理器的量子計算機以模擬分子，旨在解決鈹氫化物（BeH2）的分子結構問題。IBM方面表示，鈹氫化物是迄今為止在量子計算機上能夠模擬的最大分子。因其可直接應用於實際，故而該項研髮結果的現實意義尤為重大，具體包括創造新材料、研究靶向藥物以及發現更高效且可持續性能源。

在接受電話採訪時，IBM公司量子計算機研究團隊成員Abhinav Kandala對該團隊如何實現能夠滿足分子模擬所需的量子運算數量的高效演算法做出了概述。通過使用7量子位處理器中的6個量子位，他們即可測量出BeH2的最低能量級，而這正是理解化學反應的關鍵量化指標所在。此次實驗的結果已發佈於經同行評審的《自然》雜誌，Kandala也參與了該篇論文的撰寫。

該研究團隊在此篇論文中率先使用逾百個Pauli（泡利）術語以論證實驗優化中所涉及的多達6個量子位的漢密爾頓函數問題，而後展示了一系列分子基態能量的測定值。其中，分子體積大小為控制變數，在測定過程中逐步增加直至構成BeH2。該項測驗由「一款能夠在試驗狀態下於量子處理器中完成交互並結合了費米子漢密爾頓函數緊湊編碼與隨機優化程序的硬體高效量子優化器」完成。

IBM公司研究人員已經研發出了一種新型方法，能夠在量子計算機上模擬分子，並在其定製的7量子位處理器上成功地使用其中6個量子位，藉此以解決鈹氫化物（BeH2）的分子結構問題。鈹氫化物（BeH2）是迄今為止能夠在量子計算機上模擬的最大分子。

儘管BeH2模型也能夠在「經典」計算機上實現模擬，但由於這種新方法具備研究更大分子的潛力，並且隨著更為強大的量子系統的建立，該全新的計算方法將自然而言地被視為超越傳統計算方法的產物。Kandala表示，該實驗最終表明執行於6位超導量子處理器上的硬體高效量子優化器可以解決單一元素以上的分子問題，並且具體範圍可擴展至BeH2上限。

Kandala補充稱，基本上他們已經顛覆了傳統研究方式，即將之前已知的傳統計算方法同量子硬體加 結合：該研究團隊通過構建適合於當前可用量子設備性能的演算法實現了這項重大目標。該演算法允許其提取最大的量子計算能力以解決問題，而這對傳統計算機而言，完成難度將呈指數級增長。為表達該演算法的計算能力，IBM公司採用了全新的度量標準Quantum Volume，該標準具體包括量子位的數量與質量、電路連接以及運算錯誤率。

使用傳統計算方法處理化學問題可能出現的問題，或將通過量子計算能夠得以解決。 「迄今為止所有的化學反應都能夠用相似的方法得以解決，」 Kandala 表示，「而在傳統計算機上處理此類問題將導致成本呈指數級增長。」

分子問題的複雜性與其軌道數量密切相關。分子軌道是描述分子中電子波狀行為的數學函數。Kandala 表示：「希望量子計算能夠以精確的方式處理此類問題。」

如果量子計算機能夠用於解決實際問題，那麼其將需要搜索一個很大的量子態空間。故而在其衡量標準中，錯誤率與量子位數量一樣重要。

以最簡單的分子模型氫為例，科學家需要將四個軌道映射於兩個量子位上。 「當試圖解決更大的分子時，將有更多的軌道需要計算。因此，量子位隨著分子軌道數量的增加而增加。」 Kandala表示，「而這些問題可以得到解決。我們能夠在量子計算機上嘗試解決此類問題的原因正是由於數學映射的存在。」 Kandala補充稱：「分子軌道的數量與模擬中需要的量子位數量有關。」

Kandala表示，該實驗的重點之一在於將量子計算結果與傳統計算方法所得進行比較，並確定其實際錯誤率。 「此舉旨在期望能夠獲得更多經典計算範圍以外的信息，」 Kandala解釋稱，「畢竟，這是個全新的領域。」

為展示量子計算機在模擬分子方面的實際表現，開發者與IBM Q體驗用戶現可訪問量子化學Jupyter Notebook，通過QISKit GitHub庫提供的開放源代碼。IBM Q體驗於去年推出，該活動通過在雲端部署一台強大的5量子位計算機，且任何人都能自由訪問該量子計算機。最近，該量子計算機已完成升級，開始以beta測試方式開放16量子位處理器。

「我們希望創建一個社區，」 Kandala表示，「我們希望了解自己，同時也希望其他人能夠了解我們。」

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