IBM、波音联合研究，用量子计算机解决航空航天的腐蚀问题

光子盒研究院

生锈的铁钉、褪色的纯银戒指和变成薄荷绿的铜像有什么共同点？它们都是化学腐蚀过程的产物。

对普通人来说，腐蚀是日常生活中司空见惯的事情、是物体随时间推移而老化的众多方式之一。然而，对于像波音公司这样的全球航空航天制造商的研究人员和工程师来说，腐蚀却是一个价值数十亿美元的问题——在这里，量子计算机或许能帮上忙。

当精炼金属和其他材料的表面与环境中的水分和腐蚀性物质相互作用而发生老化时，就会发生腐蚀。这导致公共基础设施和几乎所有工业部门使用的金属每年遭受价值数十亿美元1的损失。现在，来自波音公司和IBM量子公司的研究人员联手在《自然》杂志的《npj量子信息》(npj Quantum Information)上发表了一篇新论文，为研究这些化学反应开发了新的量子计算方法，这可能是向创造新型抗腐蚀材料迈出的早期一步。

研究人员将波音的腐蚀工程专业技术与IBM的量子计算能力相结合，开发出了两种新技术，用于对腐蚀过程中的一个关键步骤（即水还原）进行量子模拟。由于量子计算特别适用于量子尺度系统的建模，研究人员能够比主要的经典方法更精确地计算水还原反应所涉及的能量。

研究人员还设计出一种具有潜在价值的新方法，用于精确和自动简化量子电路：这大大减少了运行模拟所需的量子资源。他们说，除了具体的模拟实验之外，他们的电路简化方法还可能有广泛的应用前景。

化学反应和流程描述。a)镁表面水分裂反应，包括反应物和生成物的优化结构示意图；b)流程中不同步骤的概述

电路缩减技术流程图，电路包括计算基态ψHF（或比特串）中的量子比特初始化、泡利算子Pk的指数乘积（或泡利串）以及泡利算子O的测量

量子算法的结果和硬件实验

最近，记者采访了波音研究与技术公司的应用数学家Nam Nguyen、波音公司应用数学计算方法研究小组副技术研究员兼经理Kristen Williams以及IBM Research高级研究科学家Mario Motta，讨论了他们的合作、研究成果以及计算化学家今天就应该开始研究量子计算方法潜在用途的诸多原因。

问：这项新研究背后的动机是什么？

Nguyen：这篇论文是关于用量子计算机解决一些重要的航空航天问题，特别是腐蚀问题。腐蚀是航空航天工业中一个非常重要的问题，对我们的业务影响很大。

Williams：腐蚀是在存在腐蚀性电解质的情况下发生的。对于航空航天工业来说，腐蚀主要是指在潮湿环境中运行的车辆表面形成的薄膜。在湿度较高的任何地方，或者湿度在干湿之间循环的情况下，都会在表面上形成这些薄膜。如果表面没有保护，就会产生腐蚀。

Motta：无论是飞机、船体还是其他东西，迟早都会因为与环境的相互作用而退化，无法继续使用。因此，科学家们的目标是进行计算，分析现有材料的腐蚀特征，最终提出一种比现在的材料更耐腐蚀的新材料。但第一步是了解现有材料中发生了什么。

问：您在模拟实验中想要了解什么？

Williams：我们的目标是对驱动腐蚀的反应动力学速率进行非常精确的描述和理解。因此，我们要真正放大到微观层面，从根本上研究这些水膜形成后如何在金属表面发生反应。我们的目的是利用量子计算机非常精确地模拟和理解这些反应。

Motta：我们想从腐蚀反应的一个步骤入手——在这种情况下，就是水分子在镁表面的分裂，研究量子计算机能否有效地模拟这一过程。我们将这一过程称为水还原，它是一连串腐蚀反应的启动器，因此模拟这一过程是向模拟整个腐蚀反应迈出的重要一步。

问：有哪些IBM量子硬件和软件功能使这项研究成为可能？

Motta：从硬件的角度来看，量子比特的相干时间在过去几年里一直在稳步提高，这非常有帮助，因为量子比特需要在整个计算过程中保持相干，换句话说，就是保留量子信息。量子门和测量操作的速度也越来越快。因此，我们既能进行更多的运算，也有更多的时间进行运算。不断改进的错误缓解技术也是利用当今硬件优势的关键。

Nguyen：尽管量子比特相干时间有了重大改进，量子门和测量操作也更快、更好，但我们仍处于向容错量子计算机过渡的阶段。因此，我们需要找到尽可能减少量子资源需求的方法，以最佳方式利用这些系统。通过与IBM团队合作，我们找到了一种方法，可以大幅减少在IBM量子硬件上解决我们的问题所需的量子资源。这为我们的研究提供了高效的软件编译器，使我们能够利用IBM量子硬件进行这项研究。

问：这次实验中最令人兴奋的结果是什么？

Williams：我们利用量子设备在非常基本的层面上计算能量。目前，化学家在进行这类计算时，大多使用密度泛函理论(DFT)等工具，这需要大量的近似，以便在经典计算硬件上运行。密度泛函理论确实是这一领域的主力，包括在工业领域，但我们很早就知道它在某些方面存在不足，包括预测化学动力学的准确性。

在这篇论文中，我们实际上表明，如果我们把这个涉及水的基本方程，用量子硬件重新计算能量，我们得到的能量比DFT更精确。在其他数百篇论文中，DFT方法也被用来研究同样的反应。所以对我来说，这非常重要，因为它表明你确实需要量子描述才能非常精确地研究这个反应。

Nguyen：这一点尤其值得注意，因为正如我提到的，我们还没有容错量子计算机，但我们仍然能够利用当前的IBM量子硬件获得一些我们想要的结果。这些不是典型的玩具问题，也还不是完整的问题，但它们最终达到了一个点，我们仍然能够利用它们的解决方案做出一些预测。因此，我们的想法是，虽然它们可能无法像理想的容错量子计算机那样完全解决我们的整个腐蚀问题，但它们正在达到这一目标，同时仍能帮助我们做出一些有用的预测。

问：尽管我们还没有实现容错，为什么计算化学家和其他计算科学家今天就应该开始探索量子计算？

Motta：我的经验是，量子计算研究为我们提供了重新考虑和进一步发展重要观点和方法的机会。例如，我们在论文中使用的量子嵌入方法和主动空间构造方法：并不是我们发明的。有关这些方法的文献很多，但在近期设备上进行模拟时，需要以尽可能经济的方式部署这些方法，同时还要使其具有化学意义。有些人可能会认为这是一种限制，但我认为这是一个机会，让我们重新关注我们用来理解系统化学性质的理论见解，并真正将这种理解付诸实践。使用量子计算机迫使你以新的方式思考问题，这可能会为研究带来新的方向、新的工具和新的想法。

Williams：对我来说，这又回到了准确性上。如果有人正在做研究，而他们使用的是经典方法——比如DFT，他们知道这种方法存在缺陷，有些过程无法很好地描述。尤其是涉及键的断裂或键的形成时，他们确实需要研究量子计算等方法，因为在量子计算中，他们可以更好地捕捉电子相关性，并做出更好的预测。

Nguyen：量子计算的潜在优势或好处非常大。它可以让你非常精确地测量这些能量，然后帮助我们做出非常准确的预测，解决许多现实世界的问题，而目前的方法无法解决经典计算的问题。与此同时，在你动手之前，你并不真正了解所面临的挑战。你可以说：“好吧，我们就等到容错量子计算机出现时再使用它们吧。”但到我们有了容错量子计算机时，我认为你还不知道如何更好地利用它。如果从现在开始，你将学会如何优化系统，如何为你想解决的问题开发方法，以及如何最大限度地利用硬件。

最后，研究人员表示，波音公司和IBM量子公司计划继续合作，进一步探索量子计算如何揭示材料与不同环境相互作用而发生降解的化学反应。

随着该团队的到位，IBM Quantum和波音公司已经在探索波音公司从量子计算中获取价值的新方法。感兴趣的领域之一：开发先进的耐腐蚀化学品来涂覆飞机。随着波音公司建立量子劳动力队伍以及量子计算机的改进和规模化，预计该公司将利用量子问题解决来应对更多航空航天挑战。

参考连接：

[1]https://research.ibm.com/blog/boeing-quantum-corrosion

[2]https://www.ibm.com/case-studies/boeing?_gl=1*1vctwk4*_ga*NTAyMjEyNTg0LjE2OTY0NzUxMDc.*_ga_FYECCCS21D*MTY5NjQ5MzkzMi4yLjEuMTY5NjQ5NDk3Ni4wLjAuMA..

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