量子计算之父：这项技术远未到实用阶段

光子盒研究院出品

导读：David Deutsch，有人叫他“量子计算之父”，当被问到是否对这个想法如此迅速地成为一项实用技术感到惊讶，他以特有的严厉态度回答说：“还没有（实用）”。

量子设备在解决现实问题的真实表现究竟如何？近日，加州理工学院的Garnet Chan团队使用基于Sycamore的名为Weber的53量子比特谷歌处理器对分子和材料进行模拟，以此来回答这个问题。结果显示，在模拟分子时，量子电路仍然无法超越经典电路。

谷歌制造的Sycamore芯片包含53个量子比特，常被用于探索“量子计算优越性”。

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量子芯片模拟分子材料时表现平平：亟需纠错、降噪

“我们的目标是了解Sycamore硬件在具有物理相关成功指标的物理相关电路类别中的表现如何。”加州理工学院的Garnet Chan团队使用了与谷歌的Sycamore相关的53量子比特芯片来模拟真正的分子和材料。他们选择的测试案例，其中一个是氮化酶催化核心中的铁和硫的八原子簇（FeS）——它将大气中的氮固定为生物可用的形式，了解这一过程对开发人工固氮催化剂很有价值；另一个是晶体材料阿尔法三氯化钌（α-RuCl₃），这是一种在量子材料领域非常有意义的化合物，因为它被认为显示了自旋液体的奇特低温相[1]。

催化核心步骤图示。在负责从大气中提取氮（固氮）的固氮酶的催化位点中，有一簇铁（红色）和硫（黄色）原子，它们催化氮分子的分裂。研究人员想在量子计算机上模拟这个过程，以开发人工固氮催化剂。

该芯片的性能如何？坦率地说，相当一般。Chan承认，他最初以为有53个量子比特可供他们使用，将能够顺利地模拟这些系统；但是，随着对问题的深入了解，他打消了这种想法。通过将它们映射到量子电路上，研究人员可以合理地尝试计算；然而，尽管FeS簇的能量谱和α-RuCl₃的热容量具有优势，但经典方法的表现结果至少同样好。

精确量子模拟的主要障碍之一是噪声——执行量子逻辑运算的“门”的切换和输出状态读取中的随机错误。这些错误累积并限制了在噪声占主导地位之前计算可以执行的门操作的数量。研究人员发现，超过300个门的模拟被噪声淹没了；但是系统越复杂，需要的门越多。例如，Fe-S团簇在自旋之间具有长程相互作用；为了准确表示，此类交互需要许多门。

由于这些挑战，芯片上的模拟相当有限。例如，模拟提供了对Fe-S簇的能谱和热容的预测、α-RuCl₃相当不错：但前提是模拟系统不是太大，团队只能对非常小的6原子晶格块获得有意义的结果；如果他们将大小增加到仅10个原子，噪声就会淹没输出。而对门操作的限制意味着Weber的量子资源中只有大约五分之一可以用于计算。然而，当Chan和同事转而模拟更适合Weber特定电路架构的模型系统时，他们可以将这种使用量增加到一半。

因此，Chan表示，除非有更好的方法来降低噪声或纠正错误，否则很难看到量子电路在解决此类问题时表现得更好。

02

量子计算是否真的有用？

1981年在麻省理工学院的一次演讲中，费曼谈到了“用计算机模拟物理学”。尽管当时已经有学者在做了，但费曼表示，他想谈的是“一个精确的模拟，计算机将做得与自然界完全一样”。同时，他指出，由于自然界是量子力学的，为此需要的是一台量子计算机。

但历史仍在酝酿之中。David Deutsch，这位有远见的物理学家在1985年提出了量子计算的可能性，当被问到是否对这个想法如此迅速地成为一项实用技术感到惊讶，他以特有的严厉态度回答说：“还没有（实用）”。

Deutsch不愿意接受实用量子计算已经到来的说法，大概是源于它是否能做任何真正有用的事情的问题。当然，人们可以构建一个对经典设备来说非常困难、但对量子计算机来说非常理想的问题，然后证明只要几十个量子比特就足以实现“量子计算优越性”。

但众所周知，在现实世界中，这有多大帮助呢？

当费曼描述量子计算的想法时，他想到的是这种设施将被用来模拟受量子定律支配的系统，如分子和材料。与其使用繁琐的经典近似方法、标准的量子化学的从头开始方法，不如用原子和分子的量子状态表示，以计算诸如能谱、电子带结构和稳定性等特性。

几年来，量子计算机一直在这样做。加州大学伯克利分校的Alán Aspuru-Guzik和他的同事早在2005年就表明[2]，只用几个量子比特就可以模拟简单的分子，如水和氢化锂。而在2017年，一个IBM团队使用一个简单的六量子比特电路来模拟LiH和BeH2——后者是第一个以这种方式模拟的三原子物质[3]。

03

保持理性：技术仍待取得突破

鉴于过去几年可用资源的增长情况，人们可能认为我们现在可以做更多的事情；但此次实验的结果却再一次将人们对量子模拟的态度推向理性。

“这些结果是最先进的，它们显示了未来设备性能方面需要克服的挑战，”多伦多大学的 Alán Aspuru-Guzik 表示[4]，他是在化学和材料中使用量子计算的专家。“这些结果既令人兴奋又令人生畏，它们表明我们还有很多工作要做。”

参考链接：

[1]https://physics.aps.org/articles/v15/175

[2]https://www.science.org/doi/10.1126/science.1113479

[3]https://www.science.org/doi/10.1126/science.1113479

[4]https://www.chemistryworld.com/opinion/quantum-computing-has-its-limits/4016553.article

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