量子计算算法可以促进新材料的设计

哥伦比亚大学的一组研究人员开发了一种新算法，可以帮助量子计算机计算分子能量并引导新材料的设计。该算法使用迄今为止最多的量子位来计算基态能量，这是量子力学系统中的最低能量态。 

这项新研究发表于 自然. 

计算基态能量

该算法由哥伦比亚大学化学教授 David Reichman 和博士后 Joonho Lee 以及 Google Quantum AI 的研究人员共同开发。 它减少了化学方程式中量子位产生的统计误差，并使用谷歌 16 量子位 Sycamore 计算机上多达 53 个量子位来计算基态能量，这是分子的最低能态。 

“这是在真正的量子设备上进行的最大规模的量子化学计算，”赖希曼说。 

通过准确计算基态能量，化学家将能够开发新材料。 例如，该算法可用于设计加速农业固氮的材料。 谷歌量子人工智能客座研究员李表示，这只是众多可能的可持续用途之一。

该算法依赖于量子蒙特卡罗，这是一种在存在许多随机未知变量时计算概率的方法系统。 研究人员部署该算法来确定三种分子的基态能量。 

有许多变量可以影响基态能量，例如分子中电子的数量、它们自旋的方向以及它们绕原子核运行时所采取的路径。 电子能量被编码在薛定谔方程中，随着分子变大，在经典计算机上求解变得极其困难。 话虽如此，有一些方法可以让这变得更容易，并且量子计算机最终可以绕过这个指数缩放问题。 

处理更大、更复杂的计算

根据原理，量子计算机应该有可能处理更大、更复杂的计算，因为量子位利用了量子态。 量子位能够同时存在于两种状态，而二进制数字则不然。 同时，量子位是脆弱的，随着量子位数量的增加，最终答案的准确性会降低。 Lee 开发了新算法，利用经典计算机和量子计算机的综合能力来更有效地求解这些复杂的方程，同时最大限度地减少错误。 

“这是两全其美的，”李说。 “我们利用我们已有的工具以及被认为是量子信息科学领域最先进的工具来完善量子计算化学，”李说。 

之前解决基态能量的记录依赖于 12 个量子位和一种称为变分量子本征求解器 (VQE) 的方法。 VQE 的问题在于它没有考虑相互作用电子的影响，而这对于计算基态能量至关重要。 据李说，可以添加经典计算机的虚拟关联技术来帮助化学家处理更大的分子。 

新的混合经典量子计算表现出与一些最好的经典方法相当的准确性，这表明使用量子计算机可以更准确、更快速地解决复杂问题。 

“解决更大、更具挑战性的化学问题的可行性只会随着时间的推移而增加，”李说。 “这给我们带来了希望，即正在开发的量子技术将具有实际用途。”