谷歌AI量子团队发表量子计算新研究，登上《科学》杂志封面。JeffDean和Pichai大哥都发了推文表示祝贺。在这项名为“Hartree-FockonaSuperconductingQubitQuantumComputer”的研究中，GoogleAI量子团队实现了迄今为止最大规模的化学模拟计算，这也是首次将量子计算用于模拟化学反应。在实验中，研究人员使用对噪声具有鲁棒性的变分量子特征值求解算法(VQE)来模拟化学反应过程。虽然计算侧重于真实化学反应的Hartree-Fock近似，但它使之前在量子计算机上执行的化学计算的规模翻了一番，并且包括了10倍的量子门操作。Hartree-Fock：有很多方法可以用量子计算机模拟分子系统的基态能量。在这项工作中，研究人员专注于量子算法“构建块”并通过VQE改进其性能（稍后会详细介绍）。在经典设置中，这个“构建块”相当于Hartree-Fock模型，是谷歌量子团队先前开发的用于优化化学模拟的算法的重要组成部分。Hartree-Fock模型：凝聚态物理学中的“电子-电子相互作用”是一个多体问题，无法解析解决。因此，需要一种能够近似计算电子-电子相互作用能的方法，Hartree-Fock方法就是其中之一。它的核心思想是平均场近似，表示一个电子受所有其他电子和一个等效场的影响。有了这项基础工作，研究人员可以专注于扩大规模，而不是花费精力验证设备的指数模拟成本。这个“积木”是否稳健，对于放大到“超越经典”规模后的精确模拟计算尤为重要。量子计算中的错误来自量子电路如何与其环境相互作用，即使是很小的温度波动也会导致量子比特错误。在量子设备上模拟化学的算法必须考虑这些错误，无论是在量子比特的数量上还是在额外的量子资源上，例如实现量子纠错码。在这个实验中，研究人员选择了几年前开发的VQE，它将量子处理器视为一个神经网络，并试图通过最小化成本函数来优化量子电路的参数以适应复杂的量子逻辑，就像经典的一样神经网络如何优化以适应有缺陷的数据，VQE通过动态调整量子电路参数来减少量子计算中的错误。穿越数千个节点，Sycamore实现高保真量子计算。本实验是在Sycamore处理器上进行的。使用Sycamore展示量子计算优势虽然实验需要更少的量子位，但需要更高的量子门保真度来解决化学键合问题，为此团队开发了新的、有针对性的校准技术，可以放大错误，从而实现更好的诊断和校正。10量子位Sycamore处理器模拟Hartree-Fock模型以预测分子几何结构的能量量子计算。量子计算中的错误可能来自量子硬件堆栈中的各个部分。Sycamore有54个量子位，由140多个可单独调节的元素组成，每个元素都由高速模拟电脉冲控制。要实现对整个设备的精确控制，需要对2000多个控制参数进行微调。即使是很小的错误也会导致最终的计算结果出现很大的误差。为了精确控制设备，谷歌使用了一个自动调整框架，将控制问题映射到一个有数千个节点的图上，每个节点决定一个未知参数。遍历此图允许从设备的基本先验调试高保真量子处理器，并且可以在一天内完成。最终，这些技术和算法协同地将最终误差降低了几个数量级。左：氢原子线性链的能量随着每个原子之间的键距增加而增加。右图：两种准确度测量（失真和平均绝对误差）。“原始”是Sycamore的原始错误。“+PS”是校正电子数后的错误。“+Purification”是为正确状态修正的错误。“+VQE”是最终优化的结果。实线是用经典计算机模拟的Hartree-Fock，点是用Sycamore处理器计算的。谷歌AIQuantum团队希望这个实验可以作为量子化学计算的蓝图，以及将物理模拟的好处引入量子计算的起点。最令人兴奋的是，通过这个实验，我们了解了如何通过简单的方式修改量子电路，从而更准确地模拟化学过程，为量子算法的改进和应用指明了新的方向。今天的量子计算机已经足够强大，可以在某些任务中取得显着的计算优势，量子化学的进步将达到一个新的水平。该实验最重要的成果不是完成量子化学模拟，而是验证了为当前量子计算机开发的算法能够达到实验预测所需的精度，为量子化学模拟铺平了道路。此外，谷歌团队已经发布了实验代码，使用的是此前开源在GitHub上的量子化学开源项目OpenFermion。如果你有条件运行这些实验，你可以直接从GitHub上找到实验的代码。地址：https://github.com/quantumlib/ReCirq/tree/master/recirq/hfvqe量子化学：量子力学与化学的交叉点1925年和1926年，物理学家WernerHeisenberg和ErwinSchr?dinger分别建立了矩阵力学和波力学，标志着量子力学的诞生，也为化学家提供了理解物质化学结构的新理论工具。1927年，物理学家WalterHeitler和FritzLondon应用量子力学的方法对氢分子进行原子结构处理，成功地定量解释了两个中性原子形成化学键的过程。他们的成功标志着量子力学与化学的交叉学科——量子化学的诞生。将量子理论应用于原子系统就是量子物理学，将量子理论应用于分子系统就是量子化学。我们可以简单的这样区分。通过量子力学对化学过程（例如化学键形成）进行精确的计算预测是一种有效的方法，可以开辟许多新的化学研究领域。不幸的是，由于量子变量的指数增长，除了演示系统之外，其他量子化学方程的精确解对于经典计算机来说太遥远了。但是，量子计算机具有传统计算机无法比拟的优势，比如强大的计算能力，可以模拟任何复杂的化学过程。或许在我们以后的化学课本中，我们可以清楚地看到化学键美丽的形成过程，而不是枯燥的化学方程式，“只要记住，反应就是这样的”。
