量子化学在量子计算机

'如果你想做一个模拟自然的1981年传奇的物理学家理查德·费曼建议,“你最好让它的量子力学。”的“自然”,费曼意味着“东西”:粒子和我们由原子和分子。他的这一言论在第二年,发表的演讲¹普遍认为是量子计算的创始文本。现在看起来比以往更多的预言。

尽管我们经常告知,量子计算机的独特卖点是他们巨大的速度与传统设备相比我们目前使用——一种加速利用违反直觉的量子力学定律——似乎最直接的利益将费曼首先确认:我们能够模拟自然更好。

换句话说,尽管费曼的标题“与计算机模拟物理”——量子计算机的初始值很可能是他们的巨大潜力预测原子和分子的特性:化学。许多社区,以及我自己,相信量子化学和材料科学将成为第一个有用的量子计算机的应用,”说的理论化学家艾伦·Aspuru-Guzik在美国哈佛大学。

模拟自然

当费曼的挑战在1985年牛津大学理论物理学家大卫·多伊奇英国,以提高计算机的力量。多伊奇的想法是,相干量子比特的集合在一个集体叠加编码可以更多的州——更多潜在的计算问题的答案——比同等的经典部分,必须在国家1或0。实际上,Deutsch说量子计算机将开展许多并行计算更快地达成解决方案。坚信许多世界的解释量子力学(分配一个薛定谔方程的物理现实所有可能的解决方案),多伊奇认为量子计算机将进行单独计算同时在不同的世界,在融合之前正确的答案。

量子计算理论并不多见。但公平地说,一般来说一个量子计算机能够找到问题的答案没有的试验和错误的辛苦地尝试每个可能的解决方案。它需要量子捷径。

量子计算机能够找到问题的答案没有尝试和错误

多伊奇的提议后,过了几年之后任何人发现的任何有用的假设的量子计算机。简而言之,计算你需要一个算法:一系列的步骤,将导致一些输入数据所需的答案。1994年彼得·肖在美国麻省理工学院的量子算法,可以用来描述因子数量迅速量子计算机任务,迅速成为棘手的经典计算机上非常大的数字。

很多后续的理论工作在量子计算机算法集中在寻找其它的计算,这些设备可能会快:全是速度。通常的承诺现在流行的量子计算机,他们将是比你的笔记本电脑快得多。这是误导。量子计算机可以做一些任务更快,但这并不保证他们会超越古典设备所有任务——他们可能做不好。事实上,它是具有挑战性的实际找到许多算法,量子计算机有一个明确的优势。

除此之外,费曼的原始动力模拟的量子本质的东西直接得到,而黯然失色。但随着量子计算机开始首次在现实中,这种关注再度成为最可能最初的好处。³

小电脑大的想法

虽然现在量子计算的原则建立,到目前为止实际设备只包含少量的量子位。把IBM的量子经验,在2016年宣布,它使用鱿鱼使量子电路逻辑门类似于那些在你的笔记本电脑等经典数字计算机:它只有五个量子位。IBM使得量子经验可供大众使用通过一个基于网络的平台,但对于化学家没什么你能做它,你不能一个经典的机器上做得更好。毕竟,如果每一个量子位,松散来说,将模拟电子或一个原子核,你没有那么多的。IBM现在有另外两个原型设备16和17个量子位。

为扩大量子计算机的一个关键问题是处理错误。这些必然会发生在任何计算——有点意外翻转(因为热波动),从1到0。在传统电脑,每一位的错误是由保持副本。有三个副本,任何差异(两个阅读1,第三个0),设置正确的用一个简单多数决定原则:复位第三同意前两个。但这种冗余bit-accounting不会为量子计算机工作,因为它是量子力学的一个基本原则,你不能复制任意量子态。所以研究人员一直在努力控制误差的新方法,防止他们破坏计算。

许多问题在化学优化或最小化问题:认为,例如,试图预测最稳定的蛋白质折叠态从其主要的氨基酸序列。传统计算机在解决蛋白质折叠问题上取得了进展,但它仍然超级计算机的功能延伸至他们的极限。

像这样的问题尤其适合的方法称为绝热量子计算(AQC)。在这里,而不是量子位执行指定的操作序列找到答案,一个相互作用的量子比特池轻轻哄成极化子配置对应解决最小化问题。多少有点类似于模拟退火的方法用于最小化问题经典计算机上,但与量子规则制定。

这仍是一个引人注目的进步比五年前的情况

总的想法是量子位的池是逐渐在一个潜在的“形状”来表示问题的能量函数(哈密顿),在这种情况下,量子位编码对应的基态量子波函数。“绝热”仅仅意味着量子位的收集是能够留在其基态整个“塑造”的过程。

这是一个设备的基础由公司在本拿比递波,加拿大,他们声称这是世界上第一个商用量子计算机,我们周围售价15美元。该领域的专家认为是否递波是利用量子计算在通常意义上,但在任何情况下没有证据表明它能比经典计算机。除此之外,有利弊AQC:这是多才多艺的和相对简单的原则,但很难实现纠错,抑制扩大因为错误积累得太快了。

然而最近,谷歌研究实验室的研究人员在圣芭芭拉,我们推出了一个原型nine-qubit装置,目的是两全其美,模拟的最小化功能AQC量子电路与数字由鱿鱼,纠错有一套成熟的理论。⁴Google的设备也可以模拟许多电子之间的相互作用——量子化学的基本能力。公司现在也有22-qubit机。这些机器都很小,承认物理化学家马库斯的苍鹭”位于苏黎世的瑞士联邦理工学院(ETH),瑞士。但这仍是一个引人注目的进步相比,五年前的情况。“这是可能的,他说,”可用量子位的数量可能会迅速推进,现在大公司进行巨额投资。”

做化学量子的方法

计算化学的大部分是关于发现分子的基态能量,可以预测其稳定性和反应性。你可以从量子波函数,解释了计算机科学家Jay Gambetta IBM的约克镇高地研究中心在美国,但这是你不能解决的事情没有很多经典近似。

Aspuru-Guzik, 2010年与量子物理学家安德鲁•白澳大利亚昆士兰大学的模拟了二氢分子使用光子量子计算由白色的团队。⁵也许最简单的分子,也是第一个二氢使用量子力学分析1927年德国科学家沃尔特海特勒和伦敦弗里茨。量子模拟可以计算正确的键能在一百万年6个部分。

氢分子也是一个模拟的主题在谷歌的量子计算机,去年⁶Aspuru-Guzik之间的协作,量子工程师约翰•马提尼在谷歌和其他团体。研究人员开发出一种技术,他们称之为量子eigensolver变分迭代的最小化的一种量子版本用于模拟退火。⁷而再次模拟预测分子的能级和债券的长度,早期作品的重要优势,谷歌的方法可以扩展到更大的系统没有一个指数升级纠错的必要措施。

可伸缩性问题是至关重要的,并有更多的不仅仅是越来越量子位。保持所有量子比特相干量子态并不是唯一的障碍使量子计算机工作。但对于任何电脑,如果你想解决计算问题就需要正确的程序:一个合适的算法,换句话说。这个问题不够重视,苍鹭”说。费曼的提议意味着所有你需要做一个有用的量子计算是足够的量子位元——但这是远离明显,这保证你可以得到有用的信息。

然而苍鹭”和他的同事们最近发现,这应该是可能的。原则上,他们找到了实现一个算法在量子计算机可以阐明反应机理来计算反应途径和利率。

这是量子化学的最大目标之一,但目前非常困难除了最简单的反应。了解有机金属的催化作用复杂,或准确地预测药物的速度和稳定性绑定在量子层面超出当今的计算机的能力。量子计算机真的能做得更好吗?

高效的量子算法对于一些计算当前不存在

苍鹭”和他的合作者在微软研究选择作为他们的例子固氮酶的大气氮固定成氨酶。⁸这个重要过程的完整机制尚不清楚,尽管它涉及到绑定的氮分子代数余子式含有铁和钼(FeMoco)嵌入在酶的结合位点。

研究人员说,关键只是使用量子计算的部分问题目前适合——计算给定的分子轨道的电子的能量,使用经典计算机的休息。这不仅仅是实用主义;事实是,苍鹭”说,高效的量子算法做仿真的其他部分当前不存在。战略,是使用一个适当大小的量子计算机作为一个“加速器”与古典电脑。

因此研究人员使用传统经典量子化学方法优化的可能结构FeMoco结合位点,提供一个哈密顿函数,然后使用找到的基态能量约束复杂。从这,我们可以计算出反应的动力学和热力学。这个过程可以重复用不同FeMoco结构找到能量最低的路径。我们提议为成千上万的计算结构在不同的电荷,质子化作用和自旋态,绑定不仅N₂和NH₃但是所有可能的中间体,“苍鹭”解释道。我们最近开发意味着在一个自动化和高效的方式。

苍鹭”和他的同事们估计,准确模拟仅需要一百左右的逻辑门量子位,相比大约一千万亿经典计算机上。如果我们有超过200个逻辑量子位,我们能做的事情在量子化学超出标准的方法”,他说。'如果我们有5000个这样的量子位,那么量子计算机将变革和破坏性的量子化学。数十年的方法发展将呈现相当重要,作为一个完整的量子可以解决问题对于一个中等大小的分子。”

但是有一个问题。做一个逻辑量子位,它工作可靠,你需要一个良好的纠错方法。为此,每个逻辑量子位需要由许多物理量子位。苍鹭”和他的同事们估计,大约100逻辑量子位他们需要破解固氮酶机制将对应于物理量子位几十万到一百万左右。,远远超过目前的设备提供。还要几年的时间,因为我们还没有建立一个逻辑量子位,“苍鹭”的合作者微软马提亚Troyer说。

问题不是那么糟糕,因为计算可以并行完成,你不需要一个million-qubit设备,但是许多小型设备一起工作,或者一个100 -量子位设备通过任务序列。这不是不合理的认为我们可能这样一个中等大小的机器在5 - 10年,“苍鹭”说。这种劳动分工可能做很多化学的关键在量子计算机,Gambetta说:开发计算机工程师所说的批处理架构做相对较小的任务在一个系统的序列。更重要的是,他补充道,精明的选择编码的电子计算机的自由度的量子比特可以利用某些对称性减少所需的量子位。⁹

只有在通过的问题如何将一个特定的反应机理转化为量子计算,苍鹭”说,“我们说服自己,量子计算机可以是有用的计算化学的。工作的提供了一个上限需要解决一个很有趣的问题”,泰勒说。“未来的改进降低成本。”

金属原子簇也有这样的电子结构适合这种量子模拟、苍鹭”补充道。“我的观点是,过渡金属催化——均匀、异构、生物无机的——将会受益。”,可能包括许多其他重要类型的反应,如碳氢键断裂聚合,生产的氢燃料,和固定的二氧化碳来缓解全球变暖。

量子霸权

Aspuru-Guzik认为第一个量子化学模拟不太可能有用,但在凝聚态物理,哪里有相当简单的多体的系统升级,直接模拟,如“电子气”,许多电子可以自由移动或多或少独立于彼此。”后,分子的电子结构的模拟将是至关重要的,”Aspuru-Guzik说。在这类分子、有机材料、候选人电池,太阳能电池和有机电子,是我最喜欢的例子。

转折点,Aspuru-Guzik认为,将“量子至上”的时刻:第一个预测或计算量子计算机可以做一个经典不能,不管它的实用性。他认为这个阶段将很快到达,也许几年后,也许使用谷歌的量子计算机模拟随机量子电路,看看它产生。在这里,他说,“一个经典计算机无法计算的分布在一个合理的计算机时间”。

有些化学家扣缴判断承诺财富之前有确认他们的现实。有任何计划未来几年也不能做经典,尽管有一些炒作,”泰勒说。

转折点将量子霸权的时刻

“我希望看到证据表明量子计算工作问题像分子动力学和量子化学计算的速度比“普通”电脑,并允许一个输入和检索问题答案,“说15:25 Warshel南加州大学,我们的理论工作的多尺度计算机模拟蛋白质为他赢得了2013年诺贝尔化学奖。

和多少进步取决于拥有大量计算机资源,Warshel奇迹,而不是寻找聪明的方式来利用可用是什么?说我所有的进步都通过寻找执行具有挑战性的计算没有巨大的计算机能力,即通过开发多层次方法允许一个解决问题之前出现的蛮力方法。”

尽管如此,他不会拒绝的机会。“如果我将使用工作能够加速量子力学的量子计算机计算了100倍,”他承认,“我将高兴地找到一个用。”

菲利普球是一个基于科学作家在伦敦,英国