谷歌在量子计算机上实现最大规模的化学模拟，将彻底改变理论化学

编  辑：Sakura

自2019年10月谷歌宣布实现量子优势以来，业界便被IBM和霍尼韦尔占据了各大新闻热点，谷歌一直保持低调的状态。

然而，就在昨天8月27日，Google 宣布，其量子研究团队在量子计算机上模拟了迄今最大规模的化学反应[1]，再次震惊量子领域。

其重大研究成果于今日荣登《Science》杂志的封面，题为《Hartree-Fock on a Superconducting Qubit Quantum Computer》[2]。

该研究成果将彻底的改变理论化学，从而改善各种行业，如医学、工业等。

 图1 | 8月28日Science封面（来源：Science）

化学模拟的突破

化学过程的模拟对于经典计算机来说，由于其复杂的反应过程，呈指数级增长的计算量，只能望洋兴叹。

而量子计算机虽然在某些方面能获得明显的计算优势，但是对于复杂的化学反应过程实现高精度的模拟仍然是一个有待研究的问题。

而谷歌却实现了这个令人兴奋的研究成果。研究人员运用量子计算机模拟了一个由两个氮原子和两个氢原子组成的二氮烯分子的异构化反应。

结果表明，通过量子计算机进行的化学反应模拟与研究人员在经典计算机上进行的模拟结果一致，从而验证了此次实验成果的正确性。

       图2 | 用于演示量子优越性和量子化学模拟的量子计算机（来源：谷歌）

实现方式

该研究成果相关论文已发布在《Science》杂志，论文中展示了其具体的实现方法。通过使用量子设备对分子电子能量进行Hartree-Fock计算，并通过变分量子本征求解（VQE）来进行纠错处理完善其性能，来实现对化学过程进行准确的计算预测。

Google 团队已经发布了相关的实验代码于github[3]，人们可以从化学量子计算的开源库 OpenFermion进行获取。 

图3 | 在 Sycamore 处理器的 10 个量子比特上模拟 Hartree-Fock 模型对分子几何形状进行能量预测（来源：谷歌）

该实验证明了许多用于量子化学模拟的关键构建模块，并为实现化学领域的量子优势铺平了道路。

一个令人兴奋的前景是，人们已经知道如何以一种简单的方式修改这个实验中使用的量子线路，使它们可以有效地进行模拟，这将为改进的量子算法和应用确定新的方向。

而值得一提的是，此次实验基于Sycamore 处理器，该处理器于去年10月助力谷歌实现了量子优势。而所采用的Hartree-Fock模型，是谷歌先前为优化化学模拟而开发的算法的重要电路组件。采用的变分量子本征求解（VQE），是业界最流行的用于实现纠错处理的方法，可见，谷歌此次在化学模拟上的突破并非偶然，而是厚积薄发的结果。

谷歌表示，希望这个实验可以作为如何在量子处理器上进行化学计算的蓝图，也可以作为通往物理模拟优势的起点。

参考文献：

[1]https://ai.googleblog.com/2020/08/scaling-up-fundamental-quantum.html

[2]https://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.abb9811

[3]https://github.com/quantumlib/ReCirq/tree/master/recirq/hfvqe

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