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量子模拟技术的发展即将迎来新一轮的革命

(文章滥觞:全球科学)

量子谋略机是个钻研热门。美国国会已经赞许为量子信息科学(包括量子谋略)供给高达12亿美元的钻研资金。一些国际上最大年夜的科技公司的原型机建造进度都是十分迅速。上个月谷歌公司报道了量子谋略机在特殊义务中打败传统谋略机的首个案例。

这些机械最具预期的用途是作为研发新药、催化剂和新型材料的对象。正如2017年《化学工程新闻》中的一个标题所阐明的,“化学是量子谋略的杀手级利用”。商界和官场的领袖们的谈话也助长了这种愉快情绪。一位IBM的副主席猜测在3到5年内量子谋略机将使新材料的发明成为可能。并且刚从国会议员退休的Lamar Smith支持了量子钻研资金法案,并允诺到“新药物和材料的钻研突飞猛进地成长。”他同时还吹捧到量子谋略财产已初露峥嵘。

这种盼望被依靠在量子谋略性能准确模拟化学和材料的量子布局与行径上。但只管取得了这样的进展,量子谋略机仍必要重大年夜的进展才能实用化。材料科学家和化学家警告说现在量子谋略机远远不能与同样日益强大年夜的传统模拟措施相竞争。来自加州劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)的材料科学家KrisTIn Persson表示今朝这项技巧在短期内孕育发生影响的能力“被夸大年夜了。”

量子谋略专家承认这项技巧还有很长的路要走,但他们表指正在硬件和软件的开拓上快速进步。他们同时还指出了在某些传统模拟有艰苦的特殊利用中量子机械或许能首次发挥出自身的影响。并且他们觉得奇妙的设计可能能终极让量子谋略机与传统谋略机并交运作,从而最大年夜限度的前进每一台谋略机的效益。

量子谋略机应用量子比特或量子位,它可以存储0、1或两者的组合,例如75%的1和25%的0。此外,量子比特可以在量子力学下互相纠缠。这些特点使得量子谋略性能够快速地探索办理某些问题的各类可能的规划。IBM用这个超导电路中的七个量子比特来模拟铍氢化物分子。

如今Feynman的建议已不再只是理论上的假设了。2016年,谷歌发布它已经模拟了氢分子,并经由过程环抱微型超导电路构建的量子谋略机估算了其基态能量。IBM在2017年对氢化锂和氢化铍也采取了相同的措施。今年早些时刻,马里兰州帕克分校(College Park, Maryland)的一家始创公司ionQ用一台将捕获离子作为量子比特的谋略机模拟了模拟记录以来最大年夜的分子——水分子。

苏黎世瑞士联邦理工学院(ETH)的理论化学家Markus Reiher表示这样的演示是“一个伟大年夜的进步”。并称:“在十年前,没人会想到我们将看到这些量子谋略的结果。”但Reiher也指出近来的模拟与经典谋略机所能做的相去甚远。量子谋略机无法将每个分子中的所有电子轨道表示出来,而这对付正确谋略基态能量是需要的。Reiher说,纵然是氢分子,正确的能量谋略也必要56个量子比特而ionQ的谋略机却只用了4个。

今朝,经典谋略机模拟仍旧是王道。这要归功于将近80年的成长历史,可以追溯到二战时期Monte Carlo模拟的核爆炸。20世纪50年代,分子动力学技巧获得了成长,它把原子看作球,把化学键当成弹簧。在20世纪60年代,物理学家开拓了密度泛函理论(DFT),这是一种近似分子或材猜中电子的量子互相感化的措施。

被称为分子动力学的谋略技巧可以一次模拟数百万个原子,但无法斟酌电子之间的量子力学上的互相感化。现在化学家和材料科学家可以对数百万个原子进行分子动力学模拟,只管没有对单个电子的明确表示。而且多亏了大年夜型超级谋略机,应用密度泛函理论(DFT)的钻研职员可以近似繁杂的分子和具稀有千个原子的材料的电子布局。

例如,Persson就应用密度泛函理论(DFT)来模拟一种新型电池的可能的阴极和电解质材料,这款电池可能应用镁离子作为电子载体,而非锂离子。钻研职员在实验室内制造出了最有潜力的候选者,并证明电池将具有她猜测的特点。

Persson像每一个在这个故事中被采访的人一样都热心得想要拥抱量子谋略机,由于这将增强她的模拟历程。但作为一名材料学家,她也敏锐地意识到探求可以使谷歌、IBM这些公司的量子谋略机更长久地维持量子态的别致材料(比如超导体)的事情耗时耗力而且根本不知道何时才有重大年夜冲破。在可预见的将来,Persson将继承依附于传统的法子。她说:“对付我所做的谋略而言,量子谋略机的能力望尘莫及,二者间的差距10年起步。”

洛杉矶加州大年夜学(University of California, Los Angeles)的理论化学家Emily Carter说量子谋略机可能能在钻研繁杂电子布局材料的时刻供给赞助,如个体电子-电子互相感化抉择材料特点的超导体,而这些材料的繁杂电子布局会使现有的传统措施不堪重负。她说,假如钻研职员能开拓出模拟这类“强互相感化”材料的量子算法,“我们将在定性阐发上学到新器械。”

谷歌的量子算法专家Ryan Babbush说,现有的经典措施也很难预计化学反映的速度,它们对分子能量谋略中极小偏差都异常敏感。他估计DFT将继承主导分子布局的谋略,但量子谋略机可以开始处置惩罚反映机理与反映速度,此中正确性是至关紧张的,他说。“人们真的不应该把DFT这样的措施看作是能与量子谋略相竞争的,由于它们试图达到的精度水平根本不合,而且平日是为了不合的目的。”

量子谋略机最可能受到炒作的领域里包括数十亿美元的药物研发行业。2018年波士顿咨询集团(Boston ConsulTIng Group)的一份申报指出,到2030年可能会呈现一个耗资达200亿美元的量子制药财产。

药物平日是由50到80个原子组成的小分子。但要想有药效,药物必须与蛋白质等生物分子互相感化,蛋白质可以包孕数千个原子,纵然是不久的将来也远远越过任何量子谋略机的处置惩罚能力。意大年夜利热那瓦理工学院(Italian InsTItute of Technology in Genova)的理论生归天学家Marco de Vivo在谈到今朝的分子动力学和密度泛函理论等措施时说:“假如你想让(量子谋略机)真正达到能与我们现在的措施相竞争的地方,这此中的差距依然十分显明。”

谷歌的Babbush承认切实着实如斯。但在不久的将来,喧华量子处置惩罚器并不必要处置惩罚全部蛋白质来表现自身的代价。他说:“我们可以应用经典的措施,例如DFT,来处置惩罚系统中绝大年夜多半的内容,然后将最必要量子谋略的部分留出来,例如,在量子谋略机上处置惩罚介入蛋白质和配体之间形成或破坏键的电子。”De Vivo也看到了量子谋略机在另一个角色上的前景:快速筛选大年夜量分子以便我们能更有效地筛选出有潜力的候选药物以供进一步钻研。

量子谋略机的拥护者承认他们还有许多事情要做。然则他们说他们有一张王牌可以赞助量子谋略有着比狐疑者想象不到的成长速率:量子软件开拓。例如,微软的钻研职员经由过程改进算法,将正确求解FeMoco所需的量子逻辑运算量削减了一切切倍。多伦多大年夜学(University of Toronto)的理论物理学家Alan Aspuru Guzik开拓了谷歌、IBM和ionQ应用的分子模拟算法,他说:“在软件方面,我们并没有静待这台机械能变得完美。”。

钻研职员说,终极量子谋略机可能永世不会成为材料或化学发明的一站式市廛。相反,它可能是事情流程的一部分。在这个事情流程中,经典谋略机提出问题,并将其交给量子机进行特定的谋略步骤,或反之亦然。AspuruGuzik说:“大概我用量子谋略权术略100个分子,并修正机械进修模型与DFT,然后用经典谋略权术略。。”

去年在争取到国会钻研资金后,一些量子谋略专家不停在试图将允诺回归现实。今年春天颁发在VentureBeat的一篇论文中,Monroe警告说“过度炒作可能导致幻想破灭,从而减缓进度。”他预计在量子谋略机可以开始办理有用的问题之前,我们还必要5到10年的光阴进行更多的钻研与开拓。

(责任编辑:fqj)

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