量子计算算法可能带来新材料的设计

哥伦比亚大学的研究人员开发了一种新的算法，可以帮助量子计算机计算分子能量，可能带来新材料的设计。这种算法使用了迄今为止最多的量子比特来计算基态能量，即量子力学系统中的最低能态。

该研究发表在Nature杂志上。

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，以及谷歌量子人工智能的研究人员共同开发。它减少了量子比特在化学方程中产生的统计错误，并使用谷歌的53量子比特Sycamore计算机中的最多16个量子比特来计算基态能量，即分子的最低能态。

“这些是迄今为止在真正的量子设备上进行的最大量子化学计算，”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，该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，他是谷歌量子人工智能的访问研究员。

该算法依赖于量子蒙特卡罗方法，即一种计算概率的方法，当存在许多随机、未知变量时。研究人员部署该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、它们的自旋方向以及它们在原子核周围运动的路径。电子能量被编码在薛定谔方程中，该方程对于较大的分子来说在经典计算机上变得非常难以解决。然而，量子计算机最终可能会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，因为量子比特利用了量子态。量子比特可以同时存在于两个状态中，这对于二进制数字来说是不可能的。同时，量子比特是脆弱的，当量子比特的数量增加时，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，同时也减少了错误。

“这是最好的两全其美的解决方案，”Lee说。“我们利用了现有的工具和被认为是量子信息科学最先进的工具来改进量子计算化学，”Lee说。

之前的记录是使用12个量子比特和一种称为变分量子特征值解算器（VQE）的方法来计算基态能量。VQE的问题在于它没有考虑到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的说法，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、更快速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。“这让我们希望正在开发的量子技术将是实用有用的。”