最近，由IBM公司科學(xué)家們開發(fā)的一種新型算法正在改進(jìn)復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)的理解方式，同時(shí)還針對(duì)量子計(jì)算進(jìn)行了相關(guān)優(yōu)化。
目前，科學(xué)家們已研發(fā)出了一種全新的方法以完成分子模擬，該方法通過(guò)使用配備有7量子位處理器的量子計(jì)算機(jī)以模擬分子，旨在解決鈹氫化物（BeH2）的分子結(jié)構(gòu)問(wèn)題。IBM方面表示，鈹氫化物是迄今為止在量子計(jì)算機(jī)上能夠模擬的最大分子。因其可直接應(yīng)用于實(shí)際，故而該項(xiàng)研發(fā)結(jié)果的現(xiàn)實(shí)意義尤為重大，具體包括創(chuàng)造新材料、研究靶向藥物以及發(fā)現(xiàn)更高效且可持續(xù)性能源。
在接受電話采訪時(shí)，IBM公司量子計(jì)算機(jī)研究團(tuán)隊(duì)成員Abhinav Kandala對(duì)該團(tuán)隊(duì)如何實(shí)現(xiàn)能夠滿足分子模擬所需的量子運(yùn)算數(shù)量的高效算法做出了概述。通過(guò)使用7量子位處理器中的6個(gè)量子位，他們即可測(cè)量出BeH2的最低能量級(jí)，而這正是理解化學(xué)反應(yīng)的關(guān)鍵量化指標(biāo)所在。此次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果已發(fā)布于經(jīng)同行評(píng)審的《自然》雜志，Kandala也參與了該篇論文的撰寫。
該研究團(tuán)隊(duì)在此篇論文中率先使用逾百個(gè)Pauli（泡利）術(shù)語(yǔ)以論證實(shí)驗(yàn)優(yōu)化中所涉及的多達(dá)6個(gè)量子位的漢密爾頓函數(shù)問(wèn)題，而后展示了一系列分子基態(tài)能量的測(cè)定值。其中，分子體積大小為控制變量，在測(cè)定過(guò)程中逐步增加直至構(gòu)成BeH2。該項(xiàng)測(cè)驗(yàn)由“一款能夠在試驗(yàn)狀態(tài)下于量子處理器中完成交互并結(jié)合了費(fèi)米子漢密爾頓函數(shù)緊湊編碼與隨機(jī)優(yōu)化程序的硬件高效量子優(yōu)化器”完成。
IBM公司研究人員已經(jīng)研發(fā)出了一種新型方法，能夠在量子計(jì)算機(jī)上模擬分子，并在其定制的7量子位處理器上成功地使用其中6個(gè)量子位，借此以解決鈹氫化物（BeH2）的分子結(jié)構(gòu)問(wèn)題。鈹氫化物（BeH2）是迄今為止能夠在量子計(jì)算機(jī)上模擬的最大分子。
盡管BeH2模型也能夠在“經(jīng)典”計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)模擬，但由于這種新方法具備研究更大分子的潛力，并且隨著更為強(qiáng)大的量子系統(tǒng)的建立，該全新的計(jì)算方法將自然而言地被視為超越傳統(tǒng)計(jì)算方法的產(chǎn)物。Kandala表示，該實(shí)驗(yàn)最終表明執(zhí)行于6位超導(dǎo)量子處理器上的硬件高效量子優(yōu)化器可以解決單一元素以上的分子問(wèn)題，并且具體范圍可擴(kuò)展至BeH2上限。
Kandala補(bǔ)充稱，基本上他們已經(jīng)顛覆了傳統(tǒng)研究方式，即將之前已知的傳統(tǒng)計(jì)算方法同量子硬件加 結(jié)合：該研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)構(gòu)建適合于當(dāng)前可用量子設(shè)備性能的算法實(shí)現(xiàn)了這項(xiàng)重大目標(biāo)。該算法允許其提取最大的量子計(jì)算能力以解決問(wèn)題，而這對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)而言，完成難度將呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。為表達(dá)該算法的計(jì)算能力，IBM公司采用了全新的度量標(biāo)準(zhǔn)Quantum Volume，該標(biāo)準(zhǔn)具體包括量子位的數(shù)量與質(zhì)量、電路連接以及運(yùn)算錯(cuò)誤率。
使用傳統(tǒng)計(jì)算方法處理化學(xué)問(wèn)題可能出現(xiàn)的問(wèn)題，或?qū)⑼ㄟ^(guò)量子計(jì)算能夠得以解決。 “迄今為止所有的化學(xué)反應(yīng)都能夠用相似的方法得以解決，” Kandala 表示，“而在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上處理此類問(wèn)題將導(dǎo)致成本呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。”
分子問(wèn)題的復(fù)雜性與其軌道數(shù)量密切相關(guān)。分子軌道是描述分子中電子波狀行為的數(shù)學(xué)函數(shù)。Kandala 表示：“希望量子計(jì)算能夠以精確的方式處理此類問(wèn)題。”
如果量子計(jì)算機(jī)能夠用于解決實(shí)際問(wèn)題，那么其將需要搜索一個(gè)很大的量子態(tài)空間。故而在其衡量標(biāo)準(zhǔn)中，錯(cuò)誤率與量子位數(shù)量一樣重要。
以最簡(jiǎn)單的分子模型氫為例，科學(xué)家需要將四個(gè)軌道映射于兩個(gè)量子位上。 “當(dāng)試圖解決更大的分子時(shí)，將有更多的軌道需要計(jì)算。因此，量子位隨著分子軌道數(shù)量的增加而增加。” Kandala表示，“而這些問(wèn)題可以得到解決。我們能夠在量子計(jì)算機(jī)上嘗試解決此類問(wèn)題的原因正是由于數(shù)學(xué)映射的存在。” Kandala補(bǔ)充稱：“分子軌道的數(shù)量與模擬中需要的量子位數(shù)量有關(guān)。”
Kandala表示，該實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)之一在于將量子計(jì)算結(jié)果與傳統(tǒng)計(jì)算方法所得進(jìn)行比較，并確定其實(shí)際錯(cuò)誤率。 “此舉旨在期望能夠獲得更多經(jīng)典計(jì)算范圍以外的信息，” Kandala解釋稱，“畢竟，這是個(gè)全新的領(lǐng)域。”
為展示量子計(jì)算機(jī)在模擬分子方面的實(shí)際表現(xiàn)，開發(fā)者與IBM Q體驗(yàn)用戶現(xiàn)可訪問(wèn)量子化學(xué)Jupyter Notebook，通過(guò)QISKit GitHub庫(kù)提供的開放源代碼。IBM Q體驗(yàn)于去年推出，該活動(dòng)通過(guò)在云端部署一臺(tái)強(qiáng)大的5量子位計(jì)算機(jī)，且任何人都能自由訪問(wèn)該量子計(jì)算機(jī)。最近，該量子計(jì)算機(jī)已完成升級(jí)，開始以beta測(cè)試方式開放16量子位處理器。
“我們希望創(chuàng)建一個(gè)社區(qū)，” Kandala表示，“我們希望了解自己，同時(shí)也希望其他人能夠了解我們。”
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