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  • 瑞典量子計算機首次應用于化學

    人們寄予厚望,認為量子計算機可以為模擬化學過程提供革命性的新可能性。這可能會對從新藥開發到新材料的方方面面產生重大影響。查爾姆斯大學的研究人員現在在瑞典首次使用量子計算機在真實的化學案例中進行計算。

    “理論上,量子計算機可以用來處理電子和原子核以更復雜的方式移動的情況。如果我們能夠學會利用它們的全部潛力,我們應該能夠推進可能計算和理解的界限,”領導這項研究的化學與化學工程系理論化學副教授MartinRahm說。

    在量子化學領域,量子力學定律被用來理解哪些化學反應是可能的,哪些結構和材料可以開發,以及它們具有哪些特性。這些研究通常是在超級計算機的幫助下進行的,超級計算機是用傳統的邏輯電路構建的。然而,傳統計算機可以處理的計算是有限的。由于量子力學定律在亞原子水平上描述了自然界的行為,因此許多研究人員認為,與傳統計算機相比,量子計算機應該能夠更好地執行分子計算。

    “這個世界上的大多數事物本質上都是化學物質。例如,我們的能量載體,無論是在生物學中還是在新舊汽車中,都是由以不同方式排列在分子和材料中的電子和原子核組成的。我們遇到的一些問題解決量子化學領域的問題是計算這些排列中哪些更有可能或更有優勢,以及它們的特性,”MartinRahm說。

    在量子計算機實現研究人員的目標之前,還有一段路要走。這個研究領域還很年輕,運行的小型模型計算因來自量子計算機周圍環境的噪聲而變得復雜。然而,MartinRahm和他的同事們現在找到了一種他們認為向前邁出重要一步的方法。該方法稱為參考狀態錯誤緩解(REM),其工作原理是利用量子計算機和傳統計算機的計算來糾正由于噪聲而發生的錯誤。

    “這項研究是一個概念證明,我們的方法可以提高量子化學計算的質量。這是一個有用的工具,我們將使用它來改進我們在未來的量子計算機上的計算,”MartinRahm說。文章“參考態誤差緩解:高精度化學量子計算的策略”發表在《化學理論與計算雜志》上。

    該方法背后的原理是首先通過在傳統計算機和量子計算機上描述和解決相同問題來考慮參考狀態。該參考狀態代表了比量子計算機打算解決的原始問題更簡單的分子描述。傳統計算機可以快速解決這個更簡單的問題。通過比較兩臺計算機的結果,可以準確估計噪聲引起的誤差量。當原始問題在量子處理器上運行時,兩臺計算機對參考問題的解決方案之間的差異可用于更正原始的、更復雜的問題的解決方案。

    通過將這種新方法與Chalmers的量子計算機Särimner的數據相結合,研究人員成功地計算出了氫和氫化鋰等小分子示例的內在能量。等效計算可以在傳統計算機上更快地進行,但新方法代表了一個重要的發展,是瑞典量子計算機上量子化學計算的首次演示。

    “當下一代量子計算機準備就緒時,我們看到了進一步開發該方法以允許計算更大和更復雜分子的良好可能性,”MartinRahm說。

    查默斯建造的量子計算機

    該研究是與微技術和納米科學系的同事密切合作進行的。他們建造了研究中使用的量子計算機,并幫助進行了化學計算所需的靈敏測量。

    “只有使用真正的量子算法,我們才能了解我們的硬件是如何真正工作的,以及我們如何改進它?;瘜W計算是我們認為量子計算機將發揮作用的首批領域之一,因此我們與MartinRahm的團隊合作特別有價值,”微技術和納米科學系量子技術副教授JonasBylander說。

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