量子计算机首次成功模拟化学反应向实用化迈出重要一步

科技日报北京8月31日电 （记者刘霞）据英国《新科学家》网站近日报道，谷歌公司研究人员首次借助量子计算机，成功模拟了一个化学反应！他们表示，尽管这一反应很简单，但却是量子计算机走向实用化的重要一步。未来有一日，科学家或许可借助量子模拟来研发新化学物质。相关研究发表于最新一期《科学》杂志。

研究人员解释说，由于原子和分子是受量子力学控制的系统，因此量子计算机有望成为精确模拟它们的最佳工具。量子计算机使用量子比特存储信息并执行计算，但一直很难达到模拟大原子或化学反应所需的精度。

在最新研究中，谷歌团队使用该公司的Sycamore处理器首次对一个化学反应进行了准确的量子模拟：他们模拟了由两个氮原子和两个氢原子组成二氮烯分子的异构化反应。这一量子模拟与研究人员在传统计算机上进行的模拟吻合，证实了他们的研究。

论文通讯作者瑞恩·巴布希说，尽管这种反应可能相对基础，不需要“大材小用”——用量子计算机进行模拟，但这项研究证实了目前的量子算法可以达到实验预测所需的精度，是量子计算向前迈出的一大步。

他还表示，将这一算法进行扩展可以模拟更复杂的反应——只需要更多量子比特并稍作调整即可。终有一天，我们甚至可以使用量子模拟来研发新化学物质。

这并非Sycamore的“首秀”。2019年10月，研究团队在《自然》杂志撰文称，Sycamore在200秒内完成了目前世界上最快的超级计算机需1万年才能完成的计算，实现了量子霸权（quantum supremacy）。

“量子霸权”是美国加州理工学院物理学家约翰·普瑞斯基尔发明的名词，用来表示“在存储和通信带宽呈指数级增加后，量子计算机拥有传统超级计算机所不具有的能力”，比如在化学和材料学里模拟分子的结构，处理密码学、机器学习方面的一些问题等。

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Sycamore可谓大名鼎鼎，最近几年，它在量子计算领域已经“搞”出了好几则大新闻。去年，它实现了53个量子比特的纠缠，今年，它模拟了几个简单的化学分子。在发生的反应中，氢原子进入围绕氮原子的不同能级中。这一用量子模拟得到的结果，与在传统计算机上的模拟结果一致。虽然这种化学反应相对基础，但它也已经是迄今为止用量子计算机做的规模最大的化学模拟了。模拟更大分子的反应，需要更多的量子比特。但只要有了开局，后面的一切就能水到渠成。