谷歌實現全球首個量子化學模擬

孟雨

化學鍵是如何形成的？由于龐大的計算量和分子的復雜性，經典的計算方法難以揭示化學反應的真實過程。但最近，谷歌AI的研究團隊成功地把量子計算應用在了化學反應的模擬上，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量子團隊實現了迄今為止最大規模的化學模擬計算，這也是量子計算首次被用來模擬化學反應。

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）模擬了化學反應過程。

雖然計算集中在真實化學反應的Hartree-Fock近似上，但它是以前在量子計算機上進行的化學計算的2倍，并且包含了10倍的量子門操作。

Hartree-Fock：實現量子化學計算的核心構建塊

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

在經典的設置中，這個構建塊等效于Hartree-Fock模型，是谷歌量子團隊先前為優化化學模擬而開發的一個算法的重要組成部分。

Hartree-Fock模型：凝聚態物理中的“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。有了這項基礎工作，研究人員就可以專注于擴大規模，而不用花精力去驗證設備的指數級模擬成本。

這個構建塊是否穩健，對擴展到“超越經典”規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境的相互作用，即使是微小的溫度波動也可能導致量子比特錯誤。在量子裝置上模擬化學的算法必須考慮這些誤差，包括量子比特的數量或額外的量子資源，例如實現量子糾錯碼等。

本次實驗中，研究人員選擇了幾年前開發的VQE，它把量子處理器當作一個神經網絡，并試圖通過最小化成本函數來優化量子電路的參數以適應復雜的量子邏輯，就像經典神經網絡通過優化來擬合有缺陷的數據一樣，VQE通過動態調整量子電路參數來減少量子計算中出現的誤差。

遍歷數千節點，Sycamore實現高保真量子計算

這個實驗是在Sycamore處理器上進行的。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成鍵問題，團隊為此開發了新的，有針對性的校準技術，可以放大誤差，從而實現更好的診斷和校正。

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個獨立可調元件組成，每個元件都由高速模擬電脈沖控制。要實現對整個設備的精確控制，需要對2 000多個控制參數進行微調，即便一個很小的誤差，都會導致最終計算結果出現較大的錯誤。

為了精確地控制設備，谷歌使用了一個自動化的調參框架，將控制問題映射到一個有數千節點的圖上，每個節點來確定一個未知參數。遍歷這個圖就可以從設備的基本檢驗中調試出一個高保真的量子處理器，而且可以在一天之內完成。最終，這些技術和算法協同降低了最終誤差的數量級。

Raw是來自于Sycamore的原始誤差。+ PS是一種通過糾正電子數量后的誤差。+ Purifcication是一種為正確的狀態進行修正后的誤差。+ VQE是最終優化的結果。實線是用經典計算機模擬的Hartree-Fock，點是用Sycamore處理器計算的。

谷歌AI量子團隊希望這個實驗可以作為量子化學計算的藍圖，并成為將物理模擬優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過程，為量子算法的改進和應用指明了新的方向。

今天的量子計算機已經足夠強大，可以在一些任務中獲得明顯的計算優勢，量子化學的進展將邁上新臺階。此次實驗最重要的成果不是完成了量子化學模擬，而是驗證了為當前量子計算機開發的算法能夠達到實驗預測所需的精確度，為量子化學的仿真模擬鋪平了道路。

此外，谷歌團隊已經發布了實驗的代碼，使用了此前在GitHub開源的量子化學開源項目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：量子力學和化學的交叉產物

1925年和1926年，物理學家維爾納·海森堡和埃爾溫·薛定諤各自建立了矩陣力學和波動力學，標志著量子力學的誕生，同時也為化學家提供了認識物質化學結構的新理論工具。1927年物理學家瓦爾特·海特勒和弗里茨·倫敦將量子力學處理原子結構的方法應用于氫氣分子，成功地定量闡釋了2個中性原子形成化學鍵的過程，他們的成功標志著量子力學與化學的交叉學科———量子化學的誕生。

將量子理論應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，我們可以簡單這么區分。通過量子力學對化學過程（比如化學鍵的形成）進行精確的計算預測是一種有效的方法，可以開啟許多新的化學研究領域。

不幸的是，由于量子變量的指數級增長，除了demo系統以外，其他量子化學方程的精確解對于傳統計算機來說顯得太遙遠。但是量子計算機擁有傳統計算機無法比擬的優勢，強大的計算能力，可以實現任何復雜化學過程的模擬。也許以后化學課本中，可以清晰地看到化學鍵美麗的形成過程，而不是一個枯燥的化學方程式。