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谷歌量子计算突破登Science封面!首次对化学反应进行量子模拟 凤凰科技

发布者: 发布时间:2020-09-19 14:01:16 点击量:
发布时间:2020-09-19 14:01:16
今天,谷歌的量子计算机登上了Science封面,他们成功用12量子比特模拟了二氮烯的异构化反应。

       图片1)来源: 凤凰科技. Science杂志封页
这已经是谷歌量子计算机第二次登上顶级学术期刊封面了。
 
去年10月,谷歌的量子计算机因为实现了“量子越性”登上了Nature封面,仅用了200秒就解决了超算需要1万年才能求解的量子路采问题。

这台量子计算机还能干什么?谷歌说过,能模拟化学分子。不到一年时间,他们就做到了。

图片2)来源: 凤凰科技
因为分子遵循的是量子力学,用量子计算来模拟也更为合理。只需更少的运算量和信息,就能计算出化学物质的性质。

量子计算机模拟化学分子用处巨大。除了谷歌外,其他拥有量子计算技术的公司也在也研究,微软就是其中一员。
上个月,微软发表了一篇文章,用量子计算帮助化学家寻找催化剂,将二氧化碳转化为甲醛。展示了量子计算与化学结合的应用前景。

图片3)来源: 凤凰科技
量子化学还是得用量子计算机。

图片4)来源: 凤凰科技

薛定方程是量子化学的基础,也是化学分子遵循的基本规律,求出方程的解,就能得到物质的具体化学性质。
但是求解薛定谔方程谈何容易,随着分子里原子数量的增多,解方程的运算量呈指数级增长。

就拿化学里比较简单的苯分子(C6H6)来说,它只有12个原子,但是计算维度达到1044,这是任何超级计算机都无法处理的。

为了简化求解过程,早在计算机出现之前,就有了一些近似方法,比如谷歌用到的“哈特里-福克方程”。但即使经过简化,运算量也是巨大的。

更糟糕的是,在化学反应过程中,也就是化学键解离时,分子系统的电子结构会变得更加复杂,在任何超级计算机上都很难进行相关的数值计算。
2018年,有人提出了一种新的量子算法,运算复杂度不再是指数增长,而是呈多项式增长,大大降低了运算难度。
算法都具备了,就差一台合适的量子计算机。
图片5)来源: 凤凰科技
谷歌量子计算机模拟化学反应。
去年谷歌的Sycamore量子理器实现了53个量子比特的纠缠,所以就用它来模拟几个简单的化学分子试试看。
谷歌先计算6到10个氢原子组成的氢链的结合能。原始方法(下图中的黄色)效果一般,与VQE等算法结合后,量子计算机求得的结果与真实值几乎完全吻合。