量子計算機首次成功模擬化學反應向實用化邁出重要一步

科技日報北京8月31日電 （記者劉霞）據英國《新科學家》網站近日報道，谷歌公司研究人員首次藉助量子計算機，成功模擬了一個化學反應！他們表示，儘管這一反應很簡單，但卻是量子計算機走向實用化的重要一步。未來有一日，科學家或許可藉助量子模擬來研發新化學物質。相關研究發表於最新一期《科學》雜誌。

研究人員解釋説，由於原子和分子是受量子力學控制的系統，因此量子計算機有望成為精確模擬它們的最佳工具。量子計算機使用量子比特存儲信息並執行計算，但一直很難達到模擬大原子或化學反應所需的精度。

在最新研究中，谷歌團隊使用該公司的Sycamore處理器首次對一個化學反應進行了準確的量子模擬：他們模擬了由兩個氮原子和兩個氫原子組成二氮烯分子的異構化反應。這一量子模擬與研究人員在傳統計算機上進行的模擬吻合，證實了他們的研究。

論文通訊作者瑞恩·巴布希説，儘管這種反應可能相對基礎，不需要“大材小用”——用量子計算機進行模擬，但這項研究證實了目前的量子算法可以達到實驗預測所需的精度，是量子計算向前邁出的一大步。

他還表示，將這一算法進行擴展可以模擬更復雜的反應——只需要更多量子比特並稍作調整即可。終有一天，我們甚至可以使用量子模擬來研發新化學物質。

這並非Sycamore的“首秀”。2019年10月，研究團隊在《自然》雜誌撰文稱，Sycamore在200秒內完成了目前世界上最快的超級計算機需1萬年才能完成的計算，實現了量子霸權（quantum supremacy）。

“量子霸權”是美國加州理工學院物理學家約翰·普瑞斯基爾發明的名詞，用來表示“在存儲和通信帶寬呈指數級增加後，量子計算機擁有傳統超級計算機所不具有的能力”，比如在化學和材料學裏模擬分子的結構，處理密碼學、機器學習方面的一些問題等。

總編輯圈點

Sycamore可謂大名鼎鼎，最近幾年，它在量子計算領域已經“搞”出了好幾則大新聞。去年，它實現了53個量子比特的糾纏，今年，它模擬了幾個簡單的化學分子。在發生的反應中，氫原子進入圍繞氮原子的不同能級中。這一用量子模擬得到的結果，與在傳統計算機上的模擬結果一致。雖然這種化學反應相對基礎，但它也已經是迄今為止用量子計算機做的規模最大的化學模擬了。模擬更大分子的反應，需要更多的量子比特。但只要有了開局，後面的一切就能水到渠成。