瑞典量子计算机首次应用于化学

人们寄予厚望,认为量子计算机可以为模拟化学过程提供革命性的新可能性。这可能会对从新药开发到新材料的方方面面产生重大影响。查尔姆斯大学的研究人员现在在瑞典首次使用量子计算机在真实的化学案例中进行计算。

“理论上,量子计算机可以用来处理电子和原子核以更复杂的方式移动的情况。如果我们能够学会利用它们的全部潜力,我们应该能够推进可能计算和理解的界限,”领导这项研究的化学与化学工程系理论化学副教授MartinRahm说。

在量子化学领域,量子力学定律被用来理解哪些化学反应是可能的,哪些结构和材料可以开发,以及它们具有哪些特性。这些研究通常是在超级计算机的帮助下进行的,超级计算机是用传统的逻辑电路构建的。然而,传统计算机可以处理的计算是有限的。由于量子力学定律在亚原子水平上描述了自然界的行为,因此许多研究人员认为,与传统计算机相比,量子计算机应该能够更好地执行分子计算。

“这个世界上的大多数事物本质上都是化学物质。例如,我们的能量载体,无论是在生物学中还是在新旧汽车中,都是由以不同方式排列在分子和材料中的电子和原子核组成的。我们遇到的一些问题解决量子化学领域的问题是计算这些排列中哪些更有可能或更有优势,以及它们的特性,”MartinRahm说。

在量子计算机实现研究人员的目标之前,还有一段路要走。这个研究领域还很年轻,运行的小型模型计算因来自量子计算机周围环境的噪声而变得复杂。然而,MartinRahm和他的同事们现在找到了一种他们认为向前迈出重要一步的方法。该方法称为参考状态错误缓解(REM),其工作原理是利用量子计算机和传统计算机的计算来纠正由于噪声而发生的错误。

“这项研究是一个概念证明,我们的方法可以提高量子化学计算的质量。这是一个有用的工具,我们将使用它来改进我们在未来的量子计算机上的计算,”MartinRahm说。文章“参考态误差缓解:高精度化学量子计算的策略”发表在《化学理论与计算杂志》上。

该方法背后的原理是首先通过在传统计算机和量子计算机上描述和解决相同问题来考虑参考状态。该参考状态代表了比量子计算机打算解决的原始问题更简单的分子描述。传统计算机可以快速解决这个更简单的问题。通过比较两台计算机的结果,可以准确估计噪声引起的误差量。当原始问题在量子处理器上运行时,两台计算机对参考问题的解决方案之间的差异可用于更正原始的、更复杂的问题的解决方案。

通过将这种新方法与Chalmers的量子计算机Särimner的数据相结合,研究人员成功地计算出了氢和氢化锂等小分子示例的内在能量。等效计算可以在传统计算机上更快地进行,但新方法代表了一个重要的发展,是瑞典量子计算机上量子化学计算的首次演示。

“当下一代量子计算机准备就绪时,我们看到了进一步开发该方法以允许计算更大和更复杂分子的良好可能性,”MartinRahm说。

查默斯建造的量子计算机

该研究是与微技术和纳米科学系的同事密切合作进行的。他们建造了研究中使用的量子计算机,并帮助进行了化学计算所需的灵敏测量。

“只有使用真正的量子算法,我们才能了解我们的硬件是如何真正工作的,以及我们如何改进它。化学计算是我们认为量子计算机将发挥作用的首批领域之一,因此我们与MartinRahm的团队合作特别有价值,”微技术和纳米科学系量子技术副教授JonasBylander说。

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