量子计算算法可能带来新材料的设计

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

该研究发表在 Nature 上。

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 开发，联合 Google Quantum AI 的研究人员。它减少了量子位在化学方程中产生的统计错误，并使用 Google 的 53 量子位 Sycamore 计算机中的最多 16 量子位来计算基态能量，即分子的最低能态。

“这些是有史以来在真正的量子设备上进行的最大的量子化学计算，” Reichman 说。

通过能够准确计算基态能量，化学家将能够开发新材料。例如，算法可以用于设计加速氮固定用于农业的材料。这只是众多可能的可持续性应用之一，根据 Lee 说，他是 Google Quantum AI 的访问研究员。

该算法依赖于量子蒙特卡罗方法，即一种计算方法，当存在许多随机、未知变量时，用于计算概率。研究人员部署算法来确定三种类型分子的基态能量。

有许多变量可以影响基态能量，例如分子中的电子数量、它们的自旋方向以及它们在原子核周围运动的路径。电子能量被编码在 Schrodinger 方程中，该方程变得非常难以在经典计算机上解决，因为分子变得更大。话虽如此，有些方法可以使其变得更容易，量子计算机最终可以绕过这个指数级扩展问题。

处理更大和更复杂的计算

根据原理，量子计算机应该能够处理更大和更复杂的计算，因为量子位利用量子态。量子位可以同时存在于两个状态，这对于二进制数字来说是不正确的。同时，量子位是脆弱的，随着量子位数量的增加，最后答案的准确性会降低。 Lee 开发了新的算法，以利用经典计算机和量子计算机的综合力量来更高效地解决这些复杂方程，同时也减少错误。

“这是两个世界的最佳选择，” Lee 说。“我们利用了我们已经拥有的工具以及被认为是量子信息科学最先进的工具来完善量子计算化学，” Lee 说。

以前解决基态能量的记录依赖于 12 量子位和一种称为变分量子特征解算器（VQE）的方法。 VQE 的问题是它没有考虑相互作用电子的影响，这对于计算基态能量至关重要。根据 Lee 说，经典计算机的虚拟相关技术可以被添加到帮助化学家处理甚至更大的分子。

新的混合经典-量子计算表明，其准确性与一些最好的经典方法相当，表明复杂问题可以更准确、更快地用量子计算机解决。

“解决更大和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，” Lee 说。“这让我们有希望正在开发的量子技术将是实用有用的。”