谷歌實現(xiàn)全球首個量子化學(xué)模擬

孟雨

化學(xué)鍵是如何形成的？由于龐大的計算量和分子的復(fù)雜性，經(jīng)典的計算方法難以揭示化學(xué)反應(yīng)的真實過程。但最近，谷歌AI的研究團(tuán)隊成功地把量子計算應(yīng)用在了化學(xué)反應(yīng)的模擬上，榮登Science封面。

在一篇名為“Hartree-Fock on a Superconducting Qubit Quantum Computer”的研究中，谷歌AI量子團(tuán)隊實現(xiàn)了迄今為止最大規(guī)模的化學(xué)模擬計算，這也是量子計算首次被用來模擬化學(xué)反應(yīng)。

在實驗中，研究人員使用對噪聲魯棒的變分量子特征值求解算法（VQE）模擬了化學(xué)反應(yīng)過程。

雖然計算集中在真實化學(xué)反應(yīng)的Hartree-Fock近似上，但它是以前在量子計算機(jī)上進(jìn)行的化學(xué)計算的2倍，并且包含了10倍的量子門操作。

Hartree-Fock：實現(xiàn)量子化學(xué)計算的核心構(gòu)建塊

用量子計算機(jī)模擬分子系統(tǒng)的基態(tài)能量有很多種方法。在這項工作中，研究人員集中于一個量子算法構(gòu)建塊，并通過VQE完善其性能。

在經(jīng)典的設(shè)置中，這個構(gòu)建塊等效于Hartree-Fock模型，是谷歌量子團(tuán)隊先前為優(yōu)化化學(xué)模擬而開發(fā)的一個算法的重要組成部分。

Hartree-Fock模型：凝聚態(tài)物理中的“電子-電子相互作用”是多體問題，無法獲得解析解。因此需要一種近似計算“電子-電子相互作用”的方法，Hartree-Fock方法就是其中的一種。其核心思路是平均場近似，將一個電子受其他所有電子的作用和用一個等效的場來表示。有了這項基礎(chǔ)工作，研究人員就可以專注于擴(kuò)大規(guī)模，而不用花精力去驗證設(shè)備的指數(shù)級模擬成本。

這個構(gòu)建塊是否穩(wěn)健，對擴(kuò)展到“超越經(jīng)典”規(guī)模后的精確模擬計算尤其重要。量子計算中的誤差來自量子線路與環(huán)境的相互作用，即使是微小的溫度波動也可能導(dǎo)致量子比特錯誤。在量子裝置上模擬化學(xué)的算法必須考慮這些誤差，包括量子比特的數(shù)量或額外的量子資源，例如實現(xiàn)量子糾錯碼等。

本次實驗中，研究人員選擇了幾年前開發(fā)的VQE，它把量子處理器當(dāng)作一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并試圖通過最小化成本函數(shù)來優(yōu)化量子電路的參數(shù)以適應(yīng)復(fù)雜的量子邏輯，就像經(jīng)典神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過優(yōu)化來擬合有缺陷的數(shù)據(jù)一樣，VQE通過動態(tài)調(diào)整量子電路參數(shù)來減少量子計算中出現(xiàn)的誤差。

遍歷數(shù)千節(jié)點，Sycamore實現(xiàn)高保真量子計算

這個實驗是在Sycamore處理器上進(jìn)行的。雖然實驗需要更少的量子比特，但是需要更高的量子門保真度來解決化學(xué)成鍵問題，團(tuán)隊為此開發(fā)了新的，有針對性的校準(zhǔn)技術(shù)，可以放大誤差，從而實現(xiàn)更好的診斷和校正。

量子計算中的錯誤可能來自于量子硬件堆棧中的各個部分。Sycamore有54個量子比特，由超過140個獨立可調(diào)元件組成，每個元件都由高速模擬電脈沖控制。要實現(xiàn)對整個設(shè)備的精確控制，需要對2 000多個控制參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，即便一個很小的誤差，都會導(dǎo)致最終計算結(jié)果出現(xiàn)較大的錯誤。

為了精確地控制設(shè)備，谷歌使用了一個自動化的調(diào)參框架，將控制問題映射到一個有數(shù)千節(jié)點的圖上，每個節(jié)點來確定一個未知參數(shù)。遍歷這個圖就可以從設(shè)備的基本檢驗中調(diào)試出一個高保真的量子處理器，而且可以在一天之內(nèi)完成。最終，這些技術(shù)和算法協(xié)同降低了最終誤差的數(shù)量級。

Raw是來自于Sycamore的原始誤差。+ PS是一種通過糾正電子數(shù)量后的誤差。+ Purifcication是一種為正確的狀態(tài)進(jìn)行修正后的誤差。+ VQE是最終優(yōu)化的結(jié)果。實線是用經(jīng)典計算機(jī)模擬的Hartree-Fock，點是用Sycamore處理器計算的。

谷歌AI量子團(tuán)隊希望這個實驗可以作為量子化學(xué)計算的藍(lán)圖，并成為將物理模擬優(yōu)勢引入量子計算的起點。最令人興奮的是，通過這個實驗，我們了解了如何用簡單的方式來修改量子電路，從而更精確地模擬化學(xué)過程，為量子算法的改進(jìn)和應(yīng)用指明了新的方向。

今天的量子計算機(jī)已經(jīng)足夠強(qiáng)大，可以在一些任務(wù)中獲得明顯的計算優(yōu)勢，量子化學(xué)的進(jìn)展將邁上新臺階。此次實驗最重要的成果不是完成了量子化學(xué)模擬，而是驗證了為當(dāng)前量子計算機(jī)開發(fā)的算法能夠達(dá)到實驗預(yù)測所需的精確度，為量子化學(xué)的仿真模擬鋪平了道路。

此外，谷歌團(tuán)隊已經(jīng)發(fā)布了實驗的代碼，使用了此前在GitHub開源的量子化學(xué)開源項目OpenFermion。如果有條件運行這些實驗，可以直接從GitHub中找到實驗的代碼。

量子化學(xué)：量子力學(xué)和化學(xué)的交叉產(chǎn)物

1925年和1926年，物理學(xué)家維爾納·海森堡和埃爾溫·薛定諤各自建立了矩陣力學(xué)和波動力學(xué)，標(biāo)志著量子力學(xué)的誕生，同時也為化學(xué)家提供了認(rèn)識物質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)的新理論工具。1927年物理學(xué)家瓦爾特·海特勒和弗里茨·倫敦將量子力學(xué)處理原子結(jié)構(gòu)的方法應(yīng)用于氫氣分子，成功地定量闡釋了2個中性原子形成化學(xué)鍵的過程，他們的成功標(biāo)志著量子力學(xué)與化學(xué)的交叉學(xué)科———量子化學(xué)的誕生。

將量子理論應(yīng)用于原子體系就屬量子物理，如果用于分子體系就屬于量子化學(xué)，我們可以簡單這么區(qū)分。通過量子力學(xué)對化學(xué)過程（比如化學(xué)鍵的形成）進(jìn)行精確的計算預(yù)測是一種有效的方法，可以開啟許多新的化學(xué)研究領(lǐng)域。

不幸的是，由于量子變量的指數(shù)級增長，除了demo系統(tǒng)以外，其他量子化學(xué)方程的精確解對于傳統(tǒng)計算機(jī)來說顯得太遙遠(yuǎn)。但是量子計算機(jī)擁有傳統(tǒng)計算機(jī)無法比擬的優(yōu)勢，強(qiáng)大的計算能力，可以實現(xiàn)任何復(fù)雜化學(xué)過程的模擬。也許以后化學(xué)課本中，可以清晰地看到化學(xué)鍵美麗的形成過程，而不是一個枯燥的化學(xué)方程式。