近日，谷歌與哥倫比亞大學(xué)團(tuán)隊(duì)等采用新的量子經(jīng)典混合算法，實(shí)現(xiàn)了16個(gè)量子位的化學(xué)計(jì)算，這是量子計(jì)算機(jī)目前能夠完成的最大規(guī)模的化學(xué)計(jì)算。

谷歌“懸鈴木”(Sycamore)量子計(jì)算機(jī)，圖片來自谷歌

理論上，量子計(jì)算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)勢(shì)，找到經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法解決的特定問題的答案。量子計(jì)算機(jī)擁有的量子位越多，其計(jì)算能力就以指數(shù)級(jí)增強(qiáng)。

量子計(jì)算機(jī)可應(yīng)用于化學(xué)領(lǐng)域，比如進(jìn)行分子反應(yīng)的模擬，將有助于開發(fā)新型電池或新藥。隨著分子變大，化學(xué)模擬的復(fù)雜度與難度將呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，量子計(jì)算機(jī)則可能克服這些挑戰(zhàn)。

此次，谷歌量子人工智能項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)、哥倫比亞大學(xué)和加州大學(xué)伯克利分校的研究人員使用了蒙特卡羅算法，在谷歌“懸鈴木”(Sycamore)量子計(jì)算機(jī)上采用16個(gè)量子位計(jì)算分子的基態(tài)能量（即分子的最低能量基態(tài)），實(shí)現(xiàn)了迄今為止規(guī)模最大的化學(xué)量子計(jì)算。相關(guān)成果近日發(fā)展在《自然》(Nature)期刊。

谷歌此前12個(gè)量子位實(shí)驗(yàn)（左）和此次16個(gè)量子位實(shí)驗(yàn)（右），圖片來自論文

在研究中，前述團(tuán)隊(duì)提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種經(jīng)典計(jì)算和量子計(jì)算相結(jié)合的新方法來進(jìn)行化學(xué)研究。這是一種將受約束的費(fèi)米量子蒙特卡羅算法(QMC)與量子計(jì)算相結(jié)合的方法。費(fèi)米量子蒙特卡羅算法(QMC)是為費(fèi)米子(即一種包含電子的量子粒子)量子物理模型所設(shè)計(jì)的蒙特卡羅算法。

一般情況下，在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上運(yùn)行費(fèi)米量子蒙特卡羅算法，無法較好地模擬較大的分子。因此，團(tuán)隊(duì)采取了經(jīng)典計(jì)算和量子計(jì)算的混合方法來克服這一困難。為了評(píng)估這種量子經(jīng)典混合算法的性能，研究人員使用16個(gè)量子位來計(jì)算金剛石晶體中兩個(gè)碳原子的能量。

這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)比谷歌此前在“懸鈴木”量子計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的化學(xué)計(jì)算多出4個(gè)量子位，并取得更精確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了目前為止最大規(guī)模的化學(xué)量子計(jì)算。

關(guān)鍵詞： 化學(xué)計(jì)算