量子计算机将解决4大化学难题

IBM让我们与量子化学革命更进一步。

━━━━

总有一天，工程师们将设计出一种大型量子计算机，它能够解决那些看似无解的科学难题，破解牢不可破的加密技术，创造出更智能化的人工智能。同时，如今那些正在制造量子计算机的公司也正研究如何运用将在未来几年问世的小型量子计算机。

第一代量子计算机可能会在化学领域取得进展。理论研究表明，这种量子计算机（即使是相对小型的量子计算机），最终将能够解决现有计算机难以解决的重要化学难题。

但是，在量子计算机接受化学领域的大挑战，如解释光合作用和改进可再生燃料的催化剂之前，研究人员必须先证明量子计算机能够模拟小分子和原子。而到目前为止，量子计算机还不比一个精通数学的化学家用纸笔所能达到的水平高多少。

最近《自然》杂志上刊登的一篇文章将这项研究向前推进了一步。IBM的研究人员阐述了他们使用一台小型量子计算机来模拟复杂分子的操作。IBM的研究团队运用7量子比特系统中的6量子比特推导到元素周期表的第二行，模拟了如氢化铍一般大小的分子。

IBM量子计算实验室的负责人杰瑞•周（Jerry Chow）说，此项研究的意义在于他们实现的方式：他们开发了更复杂的算法，在一台嗡嗡运转的小型量子计算机上进行模拟操作。

氢化铍在传统计算机上很容易进行模拟。像马库里•赖赫（Markus Reiher）这样的理论化学家们将其称之为“玩具问题”。而要制造“可以解决经典计算机已经达到极限的化学难题”的实用性量子计算机，这类工作是必要的，任职于苏黎世联邦理工大学的赖赫这样说。

对于传统计算机而言，化学模拟的难度与问题的大小成指数关系。为使工作有效，研究人员要取近似值，因此耗费了大量的时间。但有的时候，无法模拟的量子效应反而成为理解化学反应的关键。量子计算机能够更自然地呈现量子的状态，如电子的能级。所以，如果有公司能够制造一台大型的量子计算机，它们应该就能够更精确地解决化学问题并且攻克一些目前无法解决的难题。

量子计算机什么时候才能够解决那些传统计算机无能为力的化学难题呢？我们还不得而知。如今量子计算机的量子比特数不足24。工程师们加入的量子比特越多，进入系统的噪声也越多，做任何有效工作就会变得越困难。谷歌宣称其团队正在研究的49量子比特系统，在执行一些任务时可超越传统计算机，这个里程碑被称为“量子霸权”。

一些化学家认为，在解决重要的化学问题时，将需要数十万或上百万的量子比特来纠正由噪声引起的误差。而另一些化学家（包括那些在IBM和谷歌工作的化学家）则相信，用不足100量子比特进行有效的化学工作是有可能实现的。当他们试图建立更大的系统时，一个大问题摆在了这些公司面前：“你在未来几年如何从量子计算机中获得价值？”在IBM从事量子计算和量子信息理论工作的杰•甘贝塔（Jay Gambetta）说道。

IBM团队希望化学界能够帮助他们找到答案。该公司已经制作了一台可以访问云端的16位量子计算机，并公布了一些量子化学算法，科学家可以利用它们模拟小分子。

━━━━

以下是科学家想用量子计算机

解决的一些化学难题

━━

合成肥料需要消耗大量的能量，因为将氮气转化为氨的催化剂只有在高温高压条件下才能发挥作用。对于一些细菌来说，用固氮酶制造氨是很容易的。化学家们想要了解固氮酶的工作原理并进行模拟。但传统计算机无法模拟固氮酶的活性部位，即与氮相互作用的部分。其他一些重要的生物酶，如在光合作用第一步中发挥作用的酶，也存在类似的问题。对此，微软公司的研究人员估计，模拟固氮酶的活性部位将需要多达100万量子比特。 

━━

固氮酶的活性部位不能利用传统计算机模拟，因为它是由过渡金属元素组成的。这些金属元素（如铁、钴和铂）存在许多电子。化学家们在模拟这类金属元素的原子时尤其不能忽略其中的量子力学效应。用于制造化学品和燃料等的许多催化剂都是基于过渡金属形成的。在量子计算机上模拟催化剂的行为可以帮助化学家们实现在较低的温度下更快地进行反应，或是用更便宜的金属替代昂贵的金属。 

━━

为了弄清楚遥远星系的组成，天文学家们从这些星系发出的光的波长中收集线索。小型量子计算机能够使研究人员更精确地确定不同类型的分子发出光的颜色，即分子光谱。有了这些经过升级的信息，天文学家们就可以对遥远的天体有更多的了解。 

━━

超导体是高导电性材料，但它们只有在非常低的温度下才有这种超导行为。像过渡金属一样，超导体也很难模拟，因为它们的电子具有量子力学行为。如今，超导体被用于制作量子比特，以及医学成像系统和粒子加速器中的强磁体。通过在量子计算机上进行模拟，研究人员希望弄清楚如何制造出能够在更高温度下工作的超导体。

作者：Katherine Bourzac

>>>本文为原创，转载请回复。<<<

往期推荐