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2017年9月22日星期五

IBM量子計算機商用化新突破:化學模擬新算法

IBM Q是企業和科研單位提供一種商用化的量子計算平台。其研究人員宣布了在量子模擬領域取得了重大的進展,用量子計算機進行化學模擬,可以達到傳統計算機從未達到過的精確水平,量子模擬的直接應用。他們宣布在自己的超導量子設備上實現了一種新的量子算法,這種算法可以模擬真實分子,能夠高效精確地計算出小分子電子的最低能態。

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IBM Q 團隊利用這種算法成功模擬了迄今為止量子計算機所能模擬的最大的氫化鈹(BeH2)分子,發表在最新的《自然》上。

IBM Q係統設計是用來處理過於複雜和發展太快,以至於傳統計算係統無法處理的各種問題。量子計算的首個也是最有前景的一個應用是在化學領域。即使簡單的分子(如咖啡因),其中的量子態數量也可能大得令人震驚 - 大到科學家能構建的所有傳統計算存儲器和處理能力都無法處理。

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IBM Q 團隊所使用的量子設備中的量子處理器 (quantum processor) 包含 7 個超導量子比特,他們在充分評估自己量子處理器性能的前提下,設計了一種新的量子算法:

1、首先,用一種新的映射 (mapping) 方法將分子的"哈密頓量"映射到量子比特的哈密頓量,這種映射方法可以減少量子模擬需要的量子比特數量。

2、利用一些量子門操作來操作連接在量子比特上的量子電路 (quantum circuit,圖中蜿蜒線),從而製備哈密爾頓量的試驗基態。

3、將量子處理器驅動到試驗基態,並進行測量,得到製備的試驗態的能量。

4、將測量的能量值反饋到一段傳統的優化程序中,操作下一個量子電路以驅動量子處理器,以便進一步減少能量。

5、執行步驟 2、3 和 4 迭代直到獲得的最低能量達到所需精度。

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由於之前的量子模擬工作的低效率,隻能模擬包含氫氦的分子,相比之下,這項工作的一個優勢是可以模擬包含電子更多的分子,在他們現有的量子設備下最大可以到 BeH2(包含 6 個電子,用 6 個量子比特模擬)。該團隊表示,隨著量子處理器發展,使用這種量子技術,可以很輕鬆的模擬出更大的分子。

雖然 BeH2 是迄今為止由量子計算機模擬的最大的分子,但是考慮分子本身模型仍然足夠簡單,可以讓傳統計算機精確地模擬。所以它可以作為一個測試方案,來測試這種七量子比特處理器的計算極限,並為分子能量研究奠定基礎。研究組表示,相信不久的將來,隨著量子處理器集成度的增加,運算能力的發展,運用這項技術可以探索超出傳統計算機能力的複雜大分子.

IBM 科學家開發了各種技術來高效地在量子處理器上模擬各種化學問題,而且正在對各種分子進行實驗性認證。未來的目標是擴展到更複雜的分子,嚐試比傳統計算機更精確地預測各種化學屬性。

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