孟雨

化學(xué)鍵是如何形成的？由于龐大的計(jì)算量和分子的復(fù)雜性，經(jīng)典的計(jì)算方法難以揭示化學(xué)反應(yīng)的真實(shí)過程。但最近，谷歌AI的研究團(tuán)隊(duì)成功地把量子計(jì)算應(yīng)用在了化學(xué)反應(yīng)的模擬上，榮登Science封面。

在一篇名為“Hartree-Fock on a Superconducting Qubit Quantum Computer”的研究中，谷歌AI量子團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了迄今為止最大規(guī)模的化學(xué)模擬計(jì)算，這也是量子計(jì)算首次被用來模擬化學(xué)反應(yīng)。

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用對噪聲魯棒的變分量子特征值求解算法（VQE）模擬了化學(xué)反應(yīng)過程。

雖然計(jì)算集中在真實(shí)化學(xué)反應(yīng)的Hartree-Fock近似上，但它是以前在量子計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的化學(xué)計(jì)算的2倍，并且包含了10倍的量子門操作。

Hartree-Fock：實(shí)現(xiàn)量子化學(xué)計(jì)算的核心構(gòu)建塊

用量子計(jì)算機(jī)模擬分子系統(tǒng)的基態(tài)能量有很多種方法。在這項(xiàng)工作中，研究人員集中于一個(gè)量子算法構(gòu)建塊，并通過VQE完善其性能。

在經(jīng)典的設(shè)置中，這個(gè)構(gòu)建塊等效于Hartree-Fock模型，是谷歌量子團(tuán)隊(duì)先前為優(yōu)化化學(xué)模擬而開發(fā)的一個(gè)算法的重要組成部分。

Hartree-Fock模型：凝聚態(tài)物理中的“電子-電子相互作用”是多體問題，無法獲得解析解。因此需要一種近似計(jì)算“電子-電子相互作用”的方法，Hartree-Fock方法就是其中的一種。其核心思路是平均場近似，將一個(gè)電子受其他所有電子的作用和用一個(gè)等效的場來表示。有了這項(xiàng)基礎(chǔ)工作，研究人員就可以專注于擴(kuò)大規(guī)模，而不用花精力去驗(yàn)證設(shè)備的指數(shù)級(jí)模擬成本。

這個(gè)構(gòu)建塊是否穩(wěn)健，對擴(kuò)展到“超越經(jīng)典”規(guī)模后的精確模擬計(jì)算尤其重要。量子計(jì)算中的誤差來自量子線路與環(huán)境的相互作用，即使是微小的溫度波動(dòng)也可能導(dǎo)致量子比特錯(cuò)誤。在量子裝置上模擬化學(xué)的算法必須考慮這些誤差，包括量子比特的數(shù)量或額外的量子資源，例如實(shí)現(xiàn)量子糾錯(cuò)碼等。

本次實(shí)驗(yàn)中，研究人員選擇了幾年前開發(fā)的VQE，它把量子處理器當(dāng)作一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并試圖通過最小化成本函數(shù)來優(yōu)化量子電路的參數(shù)以適應(yīng)復(fù)雜的量子邏輯，就像經(jīng)典神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過優(yōu)化來擬合有缺陷的數(shù)據(jù)一樣，VQE通過動(dòng)態(tài)調(diào)整量子電路參數(shù)來減少量子計(jì)算中出現(xiàn)的誤差。

遍歷數(shù)千節(jié)點(diǎn)，Sycamore實(shí)現(xiàn)高保真量子計(jì)算

這個(gè)實(shí)驗(yàn)是在Sycamore處理器上進(jìn)行的。雖然實(shí)驗(yàn)需要更少的量子比特，但是需要更高的量子門保真度來解決化學(xué)成鍵問題，團(tuán)隊(duì)為此開發(fā)了新的，有針對性的校準(zhǔn)技術(shù)，可以放大誤差，從而實(shí)現(xiàn)更好的診斷和校正。

量子計(jì)算中的錯(cuò)誤可能來自于量子硬件堆棧中的各個(gè)部分。Sycamore有54個(gè)量子比特，由超過140個(gè)獨(dú)立可調(diào)元件組成，每個(gè)元件都由高速模擬電脈沖控制。要實(shí)現(xiàn)對整個(gè)設(shè)備的精確控制，需要對2 000多個(gè)控制參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，即便一個(gè)很小的誤差，都會(huì)導(dǎo)致最終計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)較大的錯(cuò)誤。

為了精確地控制設(shè)備，谷歌使用了一個(gè)自動(dòng)化的調(diào)參框架，將控制問題映射到一個(gè)有數(shù)千節(jié)點(diǎn)的圖上，每個(gè)節(jié)點(diǎn)來確定一個(gè)未知參數(shù)。遍歷這個(gè)圖就可以從設(shè)備的基本檢驗(yàn)中調(diào)試出一個(gè)高保真的量子處理器，而且可以在一天之內(nèi)完成。最終，這些技術(shù)和算法協(xié)同降低了最終誤差的數(shù)量級(jí)。

Raw是來自于Sycamore的原始誤差。+ PS是一種通過糾正電子數(shù)量后的誤差。+ Purifcication是一種為正確的狀態(tài)進(jìn)行修正后的誤差。+ VQE是最終優(yōu)化的結(jié)果。實(shí)線是用經(jīng)典計(jì)算機(jī)模擬的Hartree-Fock，點(diǎn)是用Sycamore處理器計(jì)算的。

谷歌AI量子團(tuán)隊(duì)希望這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以作為量子化學(xué)計(jì)算的藍(lán)圖，并成為將物理模擬優(yōu)勢引入量子計(jì)算的起點(diǎn)。最令人興奮的是，通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)，我們了解了如何用簡單的方式來修改量子電路，從而更精確地模擬化學(xué)過程，為量子算法的改進(jìn)和應(yīng)用指明了新的方向。

今天的量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)足夠強(qiáng)大，可以在一些任務(wù)中獲得明顯的計(jì)算優(yōu)勢，量子化學(xué)的進(jìn)展將邁上新臺(tái)階。此次實(shí)驗(yàn)最重要的成果不是完成了量子化學(xué)模擬，而是驗(yàn)證了為當(dāng)前量子計(jì)算機(jī)開發(fā)的算法能夠達(dá)到實(shí)驗(yàn)預(yù)測所需的精確度，為量子化學(xué)的仿真模擬鋪平了道路。

此外，谷歌團(tuán)隊(duì)已經(jīng)發(fā)布了實(shí)驗(yàn)的代碼，使用了此前在GitHub開源的量子化學(xué)開源項(xiàng)目OpenFermion。如果有條件運(yùn)行這些實(shí)驗(yàn)，可以直接從GitHub中找到實(shí)驗(yàn)的代碼。

量子化學(xué)：量子力學(xué)和化學(xué)的交叉產(chǎn)物

1925年和1926年，物理學(xué)家維爾納·海森堡和埃爾溫·薛定諤各自建立了矩陣力學(xué)和波動(dòng)力學(xué)，標(biāo)志著量子力學(xué)的誕生，同時(shí)也為化學(xué)家提供了認(rèn)識(shí)物質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)的新理論工具。1927年物理學(xué)家瓦爾特·海特勒和弗里茨·倫敦將量子力學(xué)處理原子結(jié)構(gòu)的方法應(yīng)用于氫氣分子，成功地定量闡釋了2個(gè)中性原子形成化學(xué)鍵的過程，他們的成功標(biāo)志著量子力學(xué)與化學(xué)的交叉學(xué)科———量子化學(xué)的誕生。

將量子理論應(yīng)用于原子體系就屬量子物理，如果用于分子體系就屬于量子化學(xué)，我們可以簡單這么區(qū)分。通過量子力學(xué)對化學(xué)過程（比如化學(xué)鍵的形成）進(jìn)行精確的計(jì)算預(yù)測是一種有效的方法，可以開啟許多新的化學(xué)研究領(lǐng)域。

不幸的是，由于量子變量的指數(shù)級(jí)增長，除了demo系統(tǒng)以外，其他量子化學(xué)方程的精確解對于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)來說顯得太遙遠(yuǎn)。但是量子計(jì)算機(jī)擁有傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法比擬的優(yōu)勢，強(qiáng)大的計(jì)算能力，可以實(shí)現(xiàn)任何復(fù)雜化學(xué)過程的模擬。也許以后化學(xué)課本中，可以清晰地看到化學(xué)鍵美麗的形成過程，而不是一個(gè)枯燥的化學(xué)方程式。