Google 繼去年宣布實現量子優越性后，終于迎來了又一重大進展——首次實現使用量子計算機對化學反應進行模擬。

8 月 27 日，Google 量子研究團隊宣布其在量子計算機上模擬了迄今最大規模的化學反應。相關成果登上了《科學》雜志的封面，題為《超導量子比特量子計算機的 Hartree-Fock 近似模擬》（Hartree-Fock on a Superconducting Qubit Quantum Computer）。

為了完成這項最新成果，研究人員使用 Sycamore 處理器，模擬了一個由兩個氮原子和兩個氫原子組成的二氮烯分子的異構化反應。最終，量子模擬與研究人員在經典計算機上進行的模擬一致，驗證了他們的工作。

值得一提的是，這項新研究所用的 Sycamore 處理器曾在 2019 年轟動世界，并在去年 10 月，助力 Google 量子團隊的研究登上《自然》雜志 150 周年版的封面。

在關于 Sycamore 的論文中，它在 200 秒之內所完成目標計算量需要當時世界最快的超級計算機上持續計算 1 萬年。由此，Google 宣布實現量子優越性，即證明量子計算在某些問題上的處理能力超過經典計算機。論文的 76 名作者表示，距離量子計算機有價值的短期應用只有一步之遙。

該論文發表后，Google CEO 皮查伊在接受《麻省理工科技評論》專訪時曾表示，“此次事件就像萊特兄弟發明飛機一樣。雖然飛機第一次試飛只飛了 12 秒鐘，看起來沒有實際用處，但它證明了飛機飛行的可能性。”

皮查伊認為，其實量子計算真正令人興奮的地方在于，根據已有的物理理論，我們所處的宇宙在最根本的層面上遵循量子法則，因此早期的量子計算應用能幫助我們更好地了解宇宙的工作方式，并在后來逐漸實現能按量子物理對分子和分子間作用進行精確模擬，在醫學和碳排放治理等涉及化學的重要研究領域發揮作用。

10 個月后，Google 用量子計算機首次模擬了化學反應，也算對皮查伊當初那番展望的初步落地。

對于此次成果，Google 研究人員瑞恩 · 巴布希（Ryan Babbush）表示，雖然這種化學反應可能相對簡單，也不是非量子計算機而不可為，但是這項工作對于量子計算來說仍然是一大步。他說：“我們現在在一個完全不同的尺度上進行化學反應的量子計算。之前的計算工作基本上可以用鉛筆和紙手工完成，但我們現在看到的演示，肯定需要電腦來完成。”

巴布希認為，將這個算法擴展到模擬更復雜的反應應該是很容易的，模擬大分子中的反應只需要更多的量子比特，然后對計算進行微調。他說，未來我們甚至可以利用量子模擬開發新的化學物質。

解鎖量子計算機新技能

根據化學反應過程的量子力學定律對化學反應過程進行精確的計算預測，可以解鎖新的化學領域，改善現有工業。可惜的是，由于量子變量的數量和統計量呈指數級擴大，除了最小的系統之外，所有其他量子化學方程的精確解仍然無法用現代經典計算機得到。

與此同時，原子和分子之間受量子力學控制，因此量子計算機有望成為精確模擬它們的最佳方法。也就是說，通過使用量子計算機，利用其獨特的量子力學特性來處理經典計算機難以處理的計算，可以實現對復雜化學反應過程的模擬。

如今的量子計算機已經足夠強大，可以在某些任務中獲得明顯的計算優勢，不過此前，量子計算機很難達到模擬大原子或化學反應所需的精度。換句話說，量子計算機是否能用于加速目前的化學反應量子模擬技術，仍是一個懸而未決的問題。

在這項最新的實驗中，Google 團隊解鎖了這一應用。他們使用一個噪聲魯棒性的變分量子特征值求解算法（VQE） ，通過量子算法直接模擬化學反應機制。

雖然計算集中在一個真實化學系統的 Hartree-Fock 近似模擬上，但它是之前用量子計算機進行化學計算的兩倍大，并且包含了十倍多的量子門操作。值得一提的是，研究驗證了目前的量子算法可以達到實驗預測所需的精度，并打開了通向真實模擬量子化學系統之路。此外，Google 團隊已經發布了實驗的代碼，它使用了化學量子計算的開源庫 OpenFermion。

圖 | 用于演示量子優越性和量子化學模擬的量子計算機

使用Sycamore 處理器實現高精度

這個實驗是基于 Sycamore 處理器進行的，正是它去年展示了 Google 實現量子優越性。

盡管這個最新實驗使用更少的量子比特，但要解決化學鍵的問題需要更高的量子門保真度。這也推動了新的、有針對性的校準技術的發展，這種技術可以最佳地放大誤差，以便診斷和糾正誤差。

圖 | 在 Sycamore 處理器的 10 個量子比特上模擬的 Hartree-Fock 模型對分子幾何形狀進行能量預測

量子計算中的錯誤可能來自量子硬件堆棧中的各種來源。Sycamore 處理器有 54 個量子比特，由 140 多個獨立可調諧元件組成，每個元件由高速模擬電脈沖控制。要實現對整個裝置的精確控制，需要對超過 2000 個控制參數進行微調，這些參數中即使發生微小誤差，也會迅速疊加到最終計算中，積累成大誤差。

為了精確地控制設備，Google 團隊使用一個自動化的框架，將控制問題映射到一個有數千個節點的圖形上，每個節點代表一個確定單個未知參數的物理實驗。通過這張圖，團隊可以從設備的先驗知識轉移到高保真量子處理器，并且可以在一天之內完成。

最終，這些技術和算法誤差糾正技術一起，使誤差降低了幾個數量級。

左：氫原子線性鏈的能量隨著每個原子之間的鍵距增加而增加。實線是用經典計算機進行的 Hartree-Fock 模擬，而點是用 Sycamore 處理器進行的。

右：用 Sycamore 處理器計算的每個點有兩個精度度量（錯誤率和平均絕對誤差）。“Raw”是來自 Sycamore 處理器的非錯誤緩解數據。“+PS”是來自校正電子數量的一種誤差減輕類型的數據。“+Purification”是一種針對正確狀態的錯誤緩解措施。“+VQE”是所有誤差消除與電路參數的變化弛豫的組合。在 H8，H10 和 H12 上進行的實驗顯示，緩解錯誤后性能得到了類似的提高。

“量子糾錯”才是關鍵

2015 年 10 月，澳大利亞新南威爾士大學首度使用硅制作出量子邏輯門，距今已經將近 5 年時間。

這個時間并不算短，量子計算機理應有更外顯的發展才對，尤其是在電子計算器已經為量子計算機的發展指明方向的情況之下。

核心的算術邏輯單元設計、控制單元設計、芯片的指令系統、編譯器、編程語言、乃至于軟件生態都是現成的，量子計算機只需要沿著之前的車轍，按部就班地抄作業，5 年時間，或許每人一臺量子計算機不太現實，但出現小規模的商用應該不成問題。

而之所以量子計算機進度緩慢，“糾錯”就是阻礙其發展的關鍵問題之一。

真實的量子比特則遠沒有常規的硅基電路般穩定，Google、IBM 和 Rigetti 采用的量子比特都由超導金屬刻蝕而成的微納諧振電路構成，雖然這種硬件方案已經較其他類型的量子比特更易于操控和電路集成。

每個量子線路有兩個確定的能態，我們可以分別記為 0 和 1。通過在這個線路上施加微波，研究者就能使它處于其中一個狀態，或者兩個狀態的任意組合——比如說 30% 的 0 和 70% 的 1。

但是，這些 “中間態” 會在極短的時間內彌散，或者說 “退相干”。甚至在退相干發生之前，噪聲就可能會“沖撞” 并改變這些量子態，讓計算結果“出軌”，朝不想要的方向演化。

對于這件事，去年 Google 發表論文聲稱實現量子優越性的時候，就有一位加利福尼亞大學戴維斯分校的數學家格雷格 · 庫珀伯格（Greg Kuperberg）對此“不以為然”，他同時也是一位量子計算領域的專家，他認為 Google 設定的目標并非問題的核心。

以往，我們大都將目光聚焦到了所謂量子優越性的身上，而忽略了不那么 “勁爆” 卻關鍵的領域。

Rigetti 的創始人兼 CEO，物理學家 Chad Rigetti 對此打了一個生動的比方，假如你花一億美元造了一臺 10000 個量子比特的計算機，當糾錯問題被解決的時候，它的威力巨大，而反之則是一臺隨機噪聲發生器。

Google 顯然已經意識到了其中的問題并著手解決。

理論上，有多種方法可使用量子計算機來模擬分子系統的基態能量。在這項研究中，谷歌團隊專注于量子算法的 “構建塊” 或原初線路（circuit primitive），并通過 VQE 完善其性能。在經典設置中，原初線路等效于 Hartree-Fock 模型，并且是此前該團隊為優化化學模擬而開發的算法中重要線路的組成部分。

這使得 Google 團隊可以專注于擴大規模，而不會花費大量的模擬代價來驗證設備。因此，在擴展到 “超越傳統” 范圍時，在該組件上的穩健誤差緩解對于精確模擬至關重要。

量子計算中的錯誤源于量子線路與環境的相互作用，從而導致錯誤的邏輯運算：即使很小的溫度波動，也可能導致量子比特誤差。

量子計算機上模擬化學反應的算法必須以較低的代價解決這些錯誤，包括量子比特的數量和額外的量子資源，例如實現量子糾錯碼等。

目前，解決錯誤最流行的方法就是使用 VQE。Google 團隊選擇了幾年前開發的 VQE，它將量子處理器視為神經網絡，并試圖通過最小化成本函數來優化量子電路的參數，解決噪聲的量子邏輯。就像傳統的神經網絡可以通過優化來解決數據中的缺陷一樣，VQE 可以動態調整量子電路參數解決量子計算過程中發生的錯誤。

來自物理學家的挑戰

在量子糾錯的問題，有一些來自物理學家的最新進展。

在一篇 6 月 8 日發表在《自然 · 物理》的研究結果中，蘇黎世聯邦理工學院的 Andreas Wallraff 教授及其合作者演示了，他們可以通過 3 個輔助比特來探測，但不糾正，一個 4 比特正方網格編碼的邏輯量子比特中的錯誤。

論文一出便引發質疑，“操控各個獨立的量子比特都會引入一定的錯誤，除非這個錯誤能夠低于某個特定的閾值，否則將初始比特與更多的比特糾纏只會增加更多的噪聲”，一位來自 IBM 的物理學家 Maika Takita 說，“在演示任何事情之前你必須先設法做到那個閾值以下。”

輔助比特以及其他糾錯裝置會引入更多的噪聲，一旦計入這些效應，要求的錯誤閾值將進一步大幅下降。想要讓上述的糾錯方案可行，物理學家必須將他們的錯誤率降到 1% 以下。

Takita 說：“當我聽到我們達到了 3% 的錯誤率時，我覺得那太棒了。現在，我知道它（錯誤率）還需要大幅降低。”

值得注意的是，一旦該方案取得成功，那么專注于量子計算機的研究者將“一夜回到解放前”，所有的量子邏輯門都需要重做，所有的硬件設計都需要隨之更改。

當然，這只是科學家們針對這一問題提出的一種可能解法，我們不苛求能夠立竿見影，但重要的是他們正在朝著相同的目標進發。
責任編輯:pj