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《量子计算机首次成功模拟化学反应》

  • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者： 冯瑞华
  • 发布时间：2020-09-01

  • 据英国《新科学家》网站近日报道，谷歌公司研究人员首次借助量子计算机，成功模拟了一个化学反应！他们表示，尽管这一反应很简单，但却是量子计算机走向实用化的重要一步。未来有一日，科学家或许可借助量子模拟来研发新化学物质。相关研究发表于最新一期《科学》杂志。

    研究人员解释说，由于原子和分子是受量子力学控制的系统，因此量子计算机有望成为精确模拟它们的最佳工具。量子计算机使用量子比特存储信息并执行计算，但一直很难达到模拟大原子或化学反应所需的精度。

    在最新研究中，谷歌团队使用该公司的Sycamore处理器首次对一个化学反应进行了准确的量子模拟：他们模拟了由两个氮原子和两个氢原子组成二氮烯分子的异构化反应。这一量子模拟与研究人员在传统计算机上进行的模拟吻合，证实了他们的研究。

    论文通讯作者瑞恩·巴布希说，尽管这种反应可能相对基础，不需要“大材小用”——用量子计算机进行模拟，但这项研究证实了目前的量子算法可以达到实验预测所需的精度，是量子计算向前迈出的一大步。

    他还表示，将这一算法进行扩展可以模拟更复杂的反应——只需要更多量子比特并稍作调整即可。终有一天，我们甚至可以使用量子模拟来研发新化学物质。

    这并非Sycamore的“首秀”。2019年10月，研究团队在《自然》杂志撰文称，Sycamore在200秒内完成了目前世界上最快的超级计算机需1万年才能完成的计算，实现了量子霸权（quantum supremacy）。

    “量子霸权”是美国加州理工学院物理学家约翰·普瑞斯基尔发明的名词，用来表示“在存储和通信带宽呈指数级增加后，量子计算机拥有传统超级计算机所不具有的能力”，比如在化学和材料学里模拟分子的结构，处理密码学、机器学习方面的一些问题等。

    总编辑圈点

    Sycamore可谓大名鼎鼎，最近几年，它在量子计算领域已经“搞”出了好几则大新闻。去年，它实现了53个量子比特的纠缠，今年，它模拟了几个简单的化学分子。在发生的反应中，氢原子进入围绕氮原子的不同能级中。这一用量子模拟得到的结果，与在传统计算机上的模拟结果一致。虽然这种化学反应相对基础，但它也已经是迄今为止用量子计算机做的规模最大的化学模拟了。模拟更大分子的反应，需要更多的量子比特。但只要有了开局，后面的一切就能水到渠成。

  • 原文来源：http://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjrb/html/2020-09/01/content_452801.htm?div=-1
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  • 《谷歌公司首次通过量子计算机模拟化学反应过程》
    • 来源专题：后摩尔
    • 编译者：shenxiang
    • 发布时间：2020-08-31
    • Google 继去年宣布实现量子优越性后，终于迎来了又一重大进展——首次实现使用量子计算机对化学反应进行模拟。 　　8 月 27 日，Google 量子研究团队宣布其在量子计算机上模拟了迄今最大规模的化学反应。相关成果登上了《科学》杂志的封面，题为《超导量子比特量子计算机的 Hartree-Fock 近似模拟》（Hartree-Fock on a Superconducting Qubit Quantum Computer）。 　　为了完成这项最新成果，研究人员使用 Sycamore 处理器，模拟了一个由两个氮原子和两个氢原子组成的二氮烯分子的异构化反应。最终，量子模拟与研究人员在经典计算机上进行的模拟一致，验证了他们的工作。 　　值得一提的是，这项新研究所用的 Sycamore 处理器曾在 2019 年轰动世界，并在去年 10 月，助力 Google 量子团队的研究登上《自然》杂志 150 周年版的封面。 　　在关于 Sycamore 的论文中，它在 200 秒之内所完成目标计算量需要当时世界最快的超级计算机上持续计算 1 万年。由此，Google 宣布实现量子优越性，即证明量子计算在某些问题上的处理能力超过经典计算机。论文的 76 名作者表示，距离量子计算机有价值的短期应用只有一步之遥。 　　该论文发表后，Google CEO 皮查伊在接受《麻省理工科技评论》专访时曾表示，“此次事件就像莱特兄弟发明飞机一样。虽然飞机第一次试飞只飞了 12 秒钟，看起来没有实际用处，但它证明了飞机飞行的可能性。” 　　皮查伊认为，其实量子计算真正令人兴奋的地方在于，根据已有的物理理论，我们所处的宇宙在最根本的层面上遵循量子法则，因此早期的量子计算应用能帮助我们更好地了解宇宙的工作方式，并在后来逐渐实现能按量子物理对分子和分子间作用进行精确模拟，在医学和碳排放治理等涉及化学的重要研究领域发挥作用。 　　10 个月后，Google 用量子计算机首次模拟了化学反应，也算对皮查伊当初那番展望的初步落地。 　　对于此次成果，Google 研究人员瑞恩 · 巴布希（Ryan Babbush）表示，虽然这种化学反应可能相对简单，也不是非量子计算机而不可为，但是这项工作对于量子计算来说仍然是一大步。他说：“我们现在在一个完全不同的尺度上进行化学反应的量子计算。之前的计算工作基本上可以用铅笔和纸手工完成，但我们现在看到的演示，肯定需要电脑来完成。” 　　巴布希认为，将这个算法扩展到模拟更复杂的反应应该是很容易的，模拟大分子中的反应只需要更多的量子比特，然后对计算进行微调。他说，未来我们甚至可以利用量子模拟开发新的化学物质。 　　解锁量子计算机新技能 　　根据化学反应过程的量子力学定律对化学反应过程进行精确的计算预测，可以解锁新的化学领域，改善现有工业。可惜的是，由于量子变量的数量和统计量呈指数级扩大，除了最小的系统之外，所有其他量子化学方程的精确解仍然无法用现代经典计算机得到。 　　与此同时，原子和分子之间受量子力学控制，因此量子计算机有望成为精确模拟它们的最佳方法。也就是说，通过使用量子计算机，利用其独特的量子力学特性来处理经典计算机难以处理的计算，可以实现对复杂化学反应过程的模拟。 　　如今的量子计算机已经足够强大，可以在某些任务中获得明显的计算优势，不过此前，量子计算机很难达到模拟大原子或化学反应所需的精度。换句话说，量子计算机是否能用于加速目前的化学反应量子模拟技术，仍是一个悬而未决的问题。 　　在这项最新的实验中，Google 团队解锁了这一应用。他们使用一个噪声鲁棒性的变分量子特征值求解算法(VQE) ，通过量子算法直接模拟化学反应机制。 　　虽然计算集中在一个真实化学系统的 Hartree-Fock 近似模拟上，但它是之前用量子计算机进行化学计算的两倍大，并且包含了十倍多的量子门操作。值得一提的是，研究验证了目前的量子算法可以达到实验预测所需的精度，并打开了通向真实模拟量子化学系统之路。此外，Google 团队已经发布了实验的代码，它使用了化学量子计算的开源库 OpenFermion。 　　图 1 用于演示量子优越性和量子化学模拟的量子计算机（来源：Rocco Ceselin） 　　使用Sycamore 处理器实现高精度 　　这个实验是基于 Sycamore 处理器进行的，正是它去年展示了 Google 实现量子优越性。 　　尽管这个最新实验使用更少的量子比特，但要解决化学键的问题需要更高的量子门保真度。这也推动了新的、有针对性的校准技术的发展，这种技术可以最佳地放大误差，以便诊断和纠正误差。 　　图 2 在 Sycamore 处理器的 10 个量子比特上模拟的 Hartree-Fock 模型对分子几何形状进行能量预测（来源：Google） 　　量子计算中的错误可能来自量子硬件堆栈中的各种来源。Sycamore 处理器有 54 个量子比特，由 140 多个独立可调谐元件组成，每个元件由高速模拟电脉冲控制。要实现对整个装置的精确控制，需要对超过 2000 个控制参数进行微调，这些参数中即使发生微小误差，也会迅速叠加到最终计算中，积累成大误差。 　　为了精确地控制设备，Google 团队使用一个自动化的框架，将控制问题映射到一个有数千个节点的图形上，每个节点代表一个确定单个未知参数的物理实验。通过这张图，团队可以从设备的先验知识转移到高保真量子处理器，并且可以在一天之内完成。 　　最终，这些技术和算法误差纠正技术一起，使误差降低了几个数量级。 　　左：氢原子线性链的能量随着每个原子之间的键距增加而增加。实线是用经典计算机进行的 Hartree-Fock 模拟，而点是用 Sycamore 处理器进行的。 　　右：用 Sycamore 处理器计算的每个点有两个精度度量（错误率和平均绝对误差）。“Raw”是来自 Sycamore 处理器的非错误缓解数据。“+PS”是来自校正电子数量的一种误差减轻类型的数据。“+Purification”是一种针对正确状态的错误缓解措施。“+VQE”是所有误差消除与电路参数的变化弛豫的组合。在 H8，H10 和 H12 上进行的实验显示，缓解错误后性能得到了类似的提高。
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    • 编译者：胡思思
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    • 麻省理工学院的研究人员开发了一种由 16 个量子比特组成的超导量子处理器，他们可以用它来产生合成电磁场，使他们能够探索材料的特性。通过在超导量子计算机上模拟磁场，研究人员可以探索材料的复杂特性。 量子计算机具有模拟复杂材料的潜力，使研究人员能够更深入地了解原子和电子之间相互作用产生的物理特性。有朝一日，这可能会带来更好的半导体、绝缘体或超导体的发现或设计，这些半导体、绝缘体或超导体可用于制造更快、更强大、更节能的电子产品。 但是，使用量子计算机来模拟材料中出现的一些现象可能具有挑战性，这给科学家们使用量子硬件探索的问题留下了空白。 为了填补其中一个空白，麻省理工学院的研究人员开发了一种在超导量子处理器上产生合成电磁场的技术。该团队在包含 16 个量子比特的处理器上演示了该技术。 通过动态控制处理器中 16 个量子比特的相互耦合方式，研究人员能够模拟电子在存在电磁场的情况下如何在原子之间移动。此外，合成电磁场是广泛可调的，使科学家能够探索一系列材料特性。 模拟电磁场对于充分探索材料的特性至关重要。未来，这项技术可以揭示电子系统的关键特性，例如导电性、极化和磁化。 “量子计算机是研究材料和其他量子力学系统物理学的强大工具。我们的工作使我们能够模拟更多吸引材料科学家的丰富物理学，“麻省理工学院博士后、量子模拟器论文的主要作者 Ilan Rosen 说。 本文的资深作者是 William D. Oliver，他是电气工程和计算机科学以及物理学的 Henry Ellis Warren 教授、量子工程中心主任、工程量子系统小组的负责人和电子研究实验室的副主任。Oliver 和 Rosen 与电气工程和计算机科学系、物理系以及麻省理工学院林肯实验室的其他人一起工作。这项研究最近发表在《自然物理学》上。 量子模拟器 IBM 和 Google 等公司正在努力构建大规模数字量子计算机，这些计算机有望通过以更快的速度运行某些算法来超越经典计算机。 但这并不是量子计算机能做的全部。量子比特及其耦合的动力学也可以仔细构建，以模拟电子在固体原子之间移动时的行为。“这导致了一个明显的应用，即使用这些超导量子计算机作为材料的模拟器，”麻省理工学院的研究科学家、该论文的合著者 Jeffrey Grover 说。 研究人员无需尝试构建大规模数字量子计算机来解决极其复杂的问题，而是可以将较小规模量子计算机中的量子比特用作模拟设备，在受控环境中复制材料系统。“通用数字量子模拟器前景广阔，但距离开发目标还有很长的路要走。模拟仿真是另一种可能在短期内产生有用结果的方法，特别是对于研究材料。它是量子硬件的一个简单而强大的应用程序，“Rosen 解释说。“使用模拟量子仿真器，我可以有意识地设置一个起点，然后观察随时间展开的内容。” 尽管它们与材料非常相似，但材料中的一些重要成分不能轻易反映在量子计算硬件上。其中一种成分是磁场。在材料中，电子“生活在”原子轨道中。当两个原子彼此靠近时，它们的轨道会重叠，电子可以从一个原子“跳跃”到另一个原子。在磁场存在的情况下，这种跳跃行为变得更加复杂。 在超导量子计算机上，量子比特之间跳跃的微波光子用于模拟原子之间跳跃的电子。但是，由于光子不像电子那样是带电粒子，因此光子的跳跃行为在物理磁场中将保持不变。 由于他们不能只在模拟器中打开磁场，因此 MIT 团队采用了一些技巧来合成磁场的效果。 调整处理器 研究人员调整了处理器中相邻量子比特的相互耦合方式，以产生与电磁场在电子中引起的相同复杂跳跃行为。 为此，他们通过应用不同的微波信号来略微改变每个量子比特的能量。通常，研究人员会将量子比特设置为相同的能量，以便光子可以从一个量子比特跳到另一个量子比特。但对于这种技术，它们会动态改变每个量子比特的能量，以改变它们之间的通信方式。 通过精确调制这些能级，研究人员使光子能够以与电子在磁场中的原子之间跳跃相同的复杂方式在量子比特之间跳跃。 此外，由于它们可以微调微波信号，因此可以模拟一系列具有不同强度和分布的电磁场。 研究人员进行了几轮实验，以确定为每个量子比特设置什么能量、调制它们的强度以及要使用的微波频率。“最具挑战性的部分是找到每个量子比特的调制设置，以便所有 16 个量子比特同时工作，”Rosen 说。 一旦他们找到了正确的设置，他们就证实了光子的动力学支持构成电磁学基础的几个方程。他们还演示了“霍尔效应”，这是一种存在于电磁场下的传导现象。 这些结果表明，他们的合成电磁场表现得像真实的东西。 展望未来，他们可以使用这项技术来精确研究凝聚态物理学中的复杂现象，例如当材料从导体变为绝缘体时发生的相变。“我们的仿真器的一个很好的功能是，我们只需要更改调制幅度或频率即可模拟不同的材料系统。通过这种方式，我们可以扫描许多材料属性或模型参数，而无需每次都物理制造新设备，“Oliver 说。Rosen 说，虽然这项工作是合成电磁场的初步演示，但它为许多潜在发现打开了大门。 “量子计算机的美妙之处在于，我们可以准确地查看每个量子比特上每时每刻发生的事情，因此我们可以利用所有这些信息。我们正处于一个非常令人兴奋的未来，“他补充道。
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