瑞典量子计算机首次应用于化学

人们对量子计算机可能为模拟化学过程提供革命性的新可能性寄予厚望。这可能会对从新药开发到新材料的方方面面产生重大影响。查尔姆斯大学的研究人员现在首次在瑞典使用量子计算机在化学的真实案例中进行计算。

“理论上，量子计算机可以用来处理电子和原子核以更复杂的方式移动的情况。如果我们能够学会充分利用它们的潜力，我们应该能够推进计算和理解的界限，“领导这项研究的化学与化学工程系理论化学副教授Martin Rahm说。

在量子化学领域，量子力学定律用于了解哪些化学反应是可能的，哪些结构和材料可以发展，以及它们具有什么特性。此类研究通常在超级计算机的帮助下进行，这些计算机由传统的逻辑电路构建而成。然而，传统计算机可以处理的计算是有限制的。由于量子力学定律在亚原子水平上描述了自然界的行为，许多研究人员认为，量子计算机应该比传统计算机更好地执行分子计算。

“这个世界上的大多数东西本质上都是化学的。例如，我们的能量载体，在生物学以及新旧汽车中，由电子和原子核组成，以不同的方式排列在分子和材料中。我们在量子化学领域解决的一些问题是计算这些排列中哪些更有可能或更有利，以及它们的特性，“Martin Rahm说。

一种新方法最大限度地减少了量子化学计算中的错误

在量子计算机实现研究人员的目标之前，还有一段路要走。这个研究领域还很年轻，运行的小型模型计算因量子计算机周围环境的噪声而变得复杂。然而，马丁·拉姆和他的同事们现在已经找到了一种方法，他们认为这是向前迈出的重要一步。该方法称为参考状态错误缓解(REM)，其工作原理是利用量子计算机和传统计算机的计算来纠正由于噪声引起的错误。

“这项研究是一个概念验证，我们的方法可以提高量子化学计算的质量。这是一个有用的工具，我们将用它来改进我们对量子计算机的计算，“Martin Rahm说。文章“参考状态错误缓解：化学高精度量子计算策略”发表在《化学理论与计算杂志》上。

该方法背后的原理是通过在传统计算机和量子计算机上描述和解决相同的问题来首先考虑参考状态。这种参考状态代表了对分子的更简单的描述，而不是量子计算机打算解决的原始问题。传统的计算机可以快速解决这个更简单的问题。通过比较两台计算机的结果，可以精确估计噪声引起的误差量。然后，当在量子处理器上运行时，可以使用两台计算机的参考问题解决方案之间的差异来纠正原始的、更复杂的问题的解决方案。

通过将这种新方法与查尔姆斯量子计算机Särimner的数据相结合，研究人员成功地计算了氢和氢化锂等小分子的内在能量。等效计算可以在传统计算机上更快地进行，但新方法代表了一项重要的发展，并且是瑞典量子计算机上量子化学计算的首次演示。

“当下一代量子计算机准备就绪时，我们看到了进一步发展该方法的良好可能性，以允许计算更大，更复杂的分子，”Martin Rahm说。

查尔姆斯建造的量子计算机

这项研究是与微技术和纳米科学系的同事密切合作进行的。他们建造了研究中使用的量子计算机，并帮助执行化学计算所需的敏感测量。

“只有通过使用真正的量子算法，我们才能了解我们的硬件是如何工作的，以及我们如何改进它。化学计算是我们认为量子计算机将有用的第一个领域之一，因此我们与Martin Rahm团队的合作特别有价值，“微技术和纳米科学系量子技术副教授Jonas Bylander说。