幫化學家偷個懶，利用量子計算來模擬化學反應

AiTechYun

編輯：xiaoshan.xiang

第一個已知的經典「計算機」是Antikythera mechanism，這是一種模擬機器，用於模擬天體在天文學上的經典動力學控制。同樣，量子計算機的一個主要目標是模擬原子尺度上的粒子動力學。由於複雜的量子力學在起作用，這些模擬通常是難以處理的。特別有趣的是電子形成化學鍵的模擬，它產生了本質上所有分子、材料和化學反應的性質。

左：第一個已知的計算設備，Antikythera mechanism：用於模擬經典力學的經典機器。右圖：谷歌的22 Xmon qubit「foxtail」晶元在晶圓片上排列成雙線性陣列，這是谷歌新推出的具有72個量子位的Bristlecone量子處理器的前身，谷歌打算用量子機來模擬量子力學等應用。

自2013年推出量子人工智慧團隊以來，谷歌一直研究量子處理器的實用演算法。2015年，谷歌在超導量子計算設備上進行了第一次量子化學實驗，在《物理評論X》(Physical Review X)上發表。最近，谷歌的量子模擬實驗模擬了物質的exotic phases，並發布了量子計算化學的第一個軟體包，OpenFermion。本月早些時候，谷歌的硬體團隊發布了新的Bristlecone量子處理器，它有72個量子位。

今天，谷歌著重強調：最近發表的兩篇論文的理論進展大大降低了這些量子計算的成本。谷歌的研究結果在量子信息處理和IBM ThinkQ會議上進行了發表。

本周發表在《物理評論X》上的第一個作品《材料的低深度量子模擬》(Low-Depth Quantum Simulation of Materials)是谷歌的研究人員與加州理工學院的Garnet Chan教授，以及微軟(Microsoft)的QuArC group合作發表的。谷歌的進步是意識到通過改變分子在量子計算機上的表現，谷歌可以極大地簡化解決問題所需的量子電路。具體來說，谷歌特別設計了基集，以便描述系統能量(即哈密頓函數)的方程可以更直接地表示量子計算。

為了做到這一點，谷歌將重點放在使用與經典電子結構計算中的函數(平面波)相關的基集來提供物理系統的周期表示。這使得人們可以超越單分子的量子模擬，轉而使用量子計算機來模擬現實的材料。例如，不需要模擬在自由空間中漂浮的單個鋰氫化物分子，而是用谷歌的方法來量子模擬氫化鋰晶體，這也是材料在自然界中出現的方式。對於更大的量子計算機，人們可以研究其他重要的材料問題，如電池陰極的退化、涉及非均相催化劑的化學反應，或石墨烯和超導體的不尋常的電特性。

在上周在Physical Review Letters上發表的題為《具有線性深度和連接性的電子結構的量子模擬》中，谷歌並與哈佛大學Aspuru-Guzik小組的Google實習生， 為以量子位線性陣列布置的近期量子計算機利用上述文章中介紹的結構來設計演算法。儘管過去的方法要求這種量子計算機對於每個動態步驟的模擬電子數量的五次冪來運行時間縮放，但谷歌改進的演算法針對電子數量線性地運行時間縮放。這種計算成本的降低使得可以在每個量子電路中具有較少門的近期設備上執行量子化學模擬，可能避免全面的誤差校正。

即使有了這些改進，部署這樣的新技術來超越經典的量子化學演算法和方法，也不是一件小任務，這些演算法和方法已經與經典計算機共同發展了80多年。然而，按照目前量子演算法和硬體的發展速度，量子技術可以為化學家提供一種重要的新工具。谷歌在期待著他們發展的同時分享谷歌的研究成果。

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