Google 繼去年宣布實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性后，終于迎來了又一重大進(jìn)展——首次實(shí)現(xiàn)使用量子計(jì)算機(jī)對化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行模擬。

8 月 27 日，Google 量子研究團(tuán)隊(duì)宣布其在量子計(jì)算機(jī)上模擬了迄今最大規(guī)模的化學(xué)反應(yīng)。相關(guān)成果登上了《科學(xué)》雜志的封面，題為《超導(dǎo)量子比特量子計(jì)算機(jī)的 Hartree-Fock 近似模擬》（Hartree-Fock on a Superconducting Qubit Quantum Computer）。

為了完成這項(xiàng)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(gòu)化反應(yīng)。最終，量子模擬與研究人員在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的模擬一致，驗(yàn)證了他們的工作。

值得一提的是，這項(xiàng)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(tuán)隊(duì)的研究登上《自然》雜志 150 周年版的封面。

在關(guān)于 Sycamore 的論文中，它在 200 秒之內(nèi)所完成目標(biāo)計(jì)算量需要當(dāng)時世界最快的超級計(jì)算機(jī)上持續(xù)計(jì)算 1 萬年。由此，Google 宣布實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性，即證明量子計(jì)算在某些問題上的處理能力超過經(jīng)典計(jì)算機(jī)。論文的 76 名作者表示，距離量子計(jì)算機(jī)有價值的短期應(yīng)用只有一步之遙。

該論文發(fā)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(fā)明飛機(jī)一樣。雖然飛機(jī)第一次試飛只飛了 12 秒鐘，看起來沒有實(shí)際用處，但它證明了飛機(jī)飛行的可能性?！?/p>

皮查伊認(rèn)為，其實(shí)量子計(jì)算真正令人興奮的地方在于，根據(jù)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(jì)算應(yīng)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(shí)現(xiàn)能按量子物理對分子和分子間作用進(jìn)行精確模擬，在醫(yī)學(xué)和碳排放治理等涉及化學(xué)的重要研究領(lǐng)域發(fā)揮作用。

10 個月后，Google 用量子計(jì)算機(jī)首次模擬了化學(xué)反應(yīng)，也算對皮查伊當(dāng)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(xué)反應(yīng)可能相對簡單，也不是非量子計(jì)算機(jī)而不可為，但是這項(xiàng)工作對于量子計(jì)算來說仍然是一大步。他說：“我們現(xiàn)在在一個完全不同的尺度上進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的量子計(jì)算。之前的計(jì)算工作基本上可以用鉛筆和紙手工完成，但我們現(xiàn)在看到的演示，肯定需要電腦來完成?！?/p>

巴布希認(rèn)為，將這個算法擴(kuò)展到模擬更復(fù)雜的反應(yīng)應(yīng)該是很容易的，模擬大分子中的反應(yīng)只需要更多的量子比特，然后對計(jì)算進(jìn)行微調(diào)。他說，未來我們甚至可以利用量子模擬開發(fā)新的化學(xué)物質(zhì)。

解鎖量子計(jì)算機(jī)新技能

根據(jù)化學(xué)反應(yīng)過程的量子力學(xué)定律對化學(xué)反應(yīng)過程進(jìn)行精確的計(jì)算預(yù)測，可以解鎖新的化學(xué)領(lǐng)域，改善現(xiàn)有工業(yè)?？上У氖?，由于量子變量的數(shù)量和統(tǒng)計(jì)量呈指數(shù)級擴(kuò)大，除了最小的系統(tǒng)之外，所有其他量子化學(xué)方程的精確解仍然無法用現(xiàn)代經(jīng)典計(jì)算機(jī)得到。

與此同時，原子和分子之間受量子力學(xué)控制，因此量子計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)，利用其獨(dú)特的量子力學(xué)特性來處理經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以處理的計(jì)算，可以實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)過程的模擬。

如今的量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)足夠強(qiáng)大，可以在某些任務(wù)中獲得明顯的計(jì)算優(yōu)勢，不過此前，量子計(jì)算機(jī)很難達(dá)到模擬大原子或化學(xué)反應(yīng)所需的精度。換句話說，量子計(jì)算機(jī)是否能用于加速目前的化學(xué)反應(yīng)量子模擬技術(shù)，仍是一個懸而未決的問題。

在這項(xiàng)最新的實(shí)驗(yàn)中，Google 團(tuán)隊(duì)解鎖了這一應(yīng)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(xué)反應(yīng)機(jī)制。

雖然計(jì)算集中在一個真實(shí)化學(xué)系統(tǒng)的 Hartree-Fock 近似模擬上，但它是之前用量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行化學(xué)計(jì)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(yàn)證了目前的量子算法可以達(dá)到實(shí)驗(yàn)預(yù)測所需的精度，并打開了通向真實(shí)模擬量子化學(xué)系統(tǒng)之路。此外，Google 團(tuán)隊(duì)已經(jīng)發(fā)布了實(shí)驗(yàn)的代碼，它使用了化學(xué)量子計(jì)算的開源庫 OpenFermion。

圖 | 用于演示量子優(yōu)越性和量子化學(xué)模擬的量子計(jì)算機(jī)

使用Sycamore 處理器實(shí)現(xiàn)高精度

這個實(shí)驗(yàn)是基于 Sycamore 處理器進(jìn)行的，正是它去年展示了 Google 實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性。

盡管這個最新實(shí)驗(yàn)使用更少的量子比特，但要解決化學(xué)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(zhǔn)技術(shù)的發(fā)展，這種技術(shù)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(jìn)行能量預(yù)測

量子計(jì)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(dú)立可調(diào)諧元件組成，每個元件由高速模擬電脈沖控制。要實(shí)現(xiàn)對整個裝置的精確控制，需要對超過 2000 個控制參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，這些參數(shù)中即使發(fā)生微小誤差，也會迅速疊加到最終計(jì)算中，積累成大誤差。

為了精確地控制設(shè)備，Google 團(tuán)隊(duì)使用一個自動化的框架，將控制問題映射到一個有數(shù)千個節(jié)點(diǎn)的圖形上，每個節(jié)點(diǎn)代表一個確定單個未知參數(shù)的物理實(shí)驗(yàn)。通過這張圖，團(tuán)隊(duì)可以從設(shè)備的先驗(yàn)知識轉(zhuǎn)移到高保真量子處理器，并且可以在一天之內(nèi)完成。

最終，這些技術(shù)和算法誤差糾正技術(shù)一起，使誤差降低了幾個數(shù)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(shí)線是用經(jīng)典計(jì)算機(jī)進(jìn)行的 Hartree-Fock 模擬，而點(diǎn)是用 Sycamore 處理器進(jìn)行的。

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

“量子糾錯”才是關(guān)鍵

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

這個時間并不算短，量子計(jì)算機(jī)理應(yīng)有更外顯的發(fā)展才對，尤其是在電子計(jì)算器已經(jīng)為量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展指明方向的情況之下。

核心的算術(shù)邏輯單元設(shè)計(jì)、控制單元設(shè)計(jì)、芯片的指令系統(tǒng)、編譯器、編程語言、乃至于軟件生態(tài)都是現(xiàn)成的，量子計(jì)算機(jī)只需要沿著之前的車轍，按部就班地抄作業(yè)，5 年時間，或許每人一臺量子計(jì)算機(jī)不太現(xiàn)實(shí)，但出現(xiàn)小規(guī)模的商用應(yīng)該不成問題。

而之所以量子計(jì)算機(jī)進(jìn)度緩慢，“糾錯”就是阻礙其發(fā)展的關(guān)鍵問題之一。

真實(shí)的量子比特則遠(yuǎn)沒有常規(guī)的硅基電路般穩(wěn)定，Google、IBM 和 Rigetti 采用的量子比特都由超導(dǎo)金屬刻蝕而成的微納諧振電路構(gòu)成，雖然這種硬件方案已經(jīng)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(tài)，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(tài)，或者兩個狀態(tài)的任意組合——比如說 30% 的 0 和 70% 的 1。

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

對于這件事，去年 Google 發(fā)表論文聲稱實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性的時候，就有一位加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校的數(shù)學(xué)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(jì)算領(lǐng)域的專家，他認(rèn)為 Google 設(shè)定的目標(biāo)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(yōu)越性的身上，而忽略了不那么 “勁爆” 卻關(guān)鍵的領(lǐng)域。

Rigetti 的創(chuàng)始人兼 CEO，物理學(xué)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(jì)算機(jī)，當(dāng)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(jī)噪聲發(fā)生器。

Google 顯然已經(jīng)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(jì)算機(jī)來模擬分子系統(tǒng)的基態(tài)能量。在這項(xiàng)研究中，谷歌團(tuán)隊(duì)專注于量子算法的 “構(gòu)建塊” 或原初線路（circuit primitive），并通過 VQE 完善其性能。在經(jīng)典設(shè)置中，原初線路等效于 Hartree-Fock 模型，并且是此前該團(tuán)隊(duì)為優(yōu)化化學(xué)模擬而開發(fā)的算法中重要線路的組成部分。

這使得 Google 團(tuán)隊(duì)可以專注于擴(kuò)大規(guī)模，而不會花費(fèi)大量的模擬代價來驗(yàn)證設(shè)備。因此，在擴(kuò)展到 “超越傳統(tǒng)” 范圍時，在該組件上的穩(wěn)健誤差緩解對于精確模擬至關(guān)重要。

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

量子計(jì)算機(jī)上模擬化學(xué)反應(yīng)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(shù)量和額外的量子資源，例如實(shí)現(xiàn)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(tuán)隊(duì)選擇了幾年前開發(fā)的 VQE，它將量子處理器視為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并試圖通過最小化成本函數(shù)來優(yōu)化量子電路的參數(shù)，解決噪聲的量子邏輯。就像傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以通過優(yōu)化來解決數(shù)據(jù)中的缺陷一樣，VQE 可以動態(tài)調(diào)整量子電路參數(shù)解決量子計(jì)算過程中發(fā)生的錯誤。

來自物理學(xué)家的挑戰(zhàn)

在量子糾錯的問題，有一些來自物理學(xué)家的最新進(jìn)展。

在一篇 6 月 8 日發(fā)表在《自然 · 物理》的研究結(jié)果中，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)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(wǎng)格編碼的邏輯量子比特中的錯誤。

論文一出便引發(fā)質(zhì)疑，“操控各個獨(dú)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(xué)家 Maika Takita 說，“在演示任何事情之前你必須先設(shè)法做到那個閾值以下?！?/p>

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

Takita 說：“當(dāng)我聽到我們達(dá)到了 3% 的錯誤率時，我覺得那太棒了?，F(xiàn)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(jì)算機(jī)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(shè)計(jì)都需要隨之更改。

當(dāng)然，這只是科學(xué)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(biāo)進(jìn)發(fā)。
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