鑽石舞台

量子計算機正在變得越來越大，但利用它突出的計算能力的實用方法仍然少之又少。研究人員已經在現有的量子計算機上嘗試了一些簡單的模擬，比如谷歌的量子處理器懸鈴木（Sycamore）已經進行了有關化學鍵、高溫超導和納米線的模擬，甚至還模擬出了時間晶體等奇異物質相。

另一方面，科學家也越來越意識到經典計算機的局限，尤其是，當量子力學定律被轉化為經典計算機可運行的程序時，經常會出現運行時間或內存量與模擬的物理系統大小「比例完全失調」。

為了克服這這些障礙，研究人員開始設計特殊的算法，讓經典計算機到量子計算機的過渡變得更加簡單自然。近日，在《自然》上發表的新研究中，一組研究團隊公布了一種新的算法，它能有效地減少量子比特在處理化學方程時產生的統計錯誤，並降低噪聲。

這種算法由化學家和量子計算機方面的研究人員共同開發，在谷歌53個量子比特的量子計算機懸鈴木上使用了多達16個量子比特，來計算基態能量，也就是一個分子的最低能量態。這是有史以來在真正的量子設備上進行的最大量子化學計算。

谷歌懸鈴木量子處理器。| 圖片來源：Rocco Ceselin/ai.googleblog.com

經典-量子混合計算

基態能量受各種變量的影響，比如分子中電子的數量、它們自旋方向以及它們圍繞原子核運行時的路徑。這種電子能量被編碼在薛定諤方程中。隨着分子越來越大，在經典計算機上解這個方程的難度呈指數級增長。

從原理上來說，量子計算機有能力處理複雜程度和體量呈指數級變化的計算，比如解薛定諤方程所需的那些計算，因為它們的量子比特恰恰利用了量子態的獨特優勢。與由1或0組成的比特不同，量子比特可以同時存在於0和1的疊加狀態。但問題是，量子比特也非常脆弱，很容易出錯。使用的量子比特越多，最後的答案就越不準確。

新研究中的這種新算法，則利用了經典計算機和量子計算機的結合力量，從而更有效地解化學方程，並最大限度地減少量子計算機的錯誤。

計算示意圖。量子處理器（右）測量指導經典計算（左）的信息。叉形表示量子比特，其中用於最大實驗的量子比特被標記為綠色陰影。箭頭的方向表明量子處理器不需要來自經典計算的任何反饋。紅色條塊代表經典計算中被量子計算機的數據過濾掉的部分，得到基態能量這樣的良好估計。| 圖片來源：ai.googleblog.com

這一算法使用了量子蒙特卡羅技巧，當有大量未知的隨機變量在起作用時，這是一個計算概率的方法系統。研究人員使用了他們的算法來確定三種分子的基態能量，包括使用8個量子比特對H₄的計算，12個量子比特進行的N₂分子的計算，以及16個量子比特對一個固體金剛石晶體中兩個碳原子能量的計算。

一台經典計算機可以處理算法中大部分量子蒙特卡羅模擬，懸鈴木則加入計算最複雜的步驟：計算試驗波函數（由量子計算機執行的對基態能量的數學描述的猜測）與樣本波函數之間的重疊，這是蒙特卡羅統計過程的一部分。這種重疊為蒙特卡羅抽樣提供了一組約束條件，也就是所謂的邊界條件，它確保了計算的統計效率。

經典計算機和量子處理器之間的這種分工，幫助團隊最好地利用了兩種資源。研究已經證明，即使在量子計算機上使用基態的低分辨率近似（僅僅幾個編碼電子位置的量子比特），經典計算機也能有效地解出一個更高分辨率的版本（電子位置更現實化的結果）。

完善量子計算化學

先前解決基態能量的紀錄使用了12個量子比特和一種叫作變分量子本徵求解器（VQE）的方法。但VQE忽略了相互作用的電子的影響，這其實是計算基態能量的一個重要變量，而新研究中的量子蒙特卡羅算法則囊括了這一變量。

這項新工作中的經典-量子混合計算與一些最好的經典方法一樣精確。這表明，使用量子計算機可以幫助更準確、快速地解決問題，這是量子計算的一個關鍵里程碑。

研究人員相信，增加經典計算機的虛擬關聯技術可以幫助化學家處理更大的分子。他們希望繼續調整算法，讓計算效率不斷提升，同時工程師也將努力建造更好的量子硬件，利用已經擁有的工具和最先進的量子信息科學來完善量子計算化學。

掌握了準確計算基態能量的能力，就能幫助化學家開發新型材料。這一算法的應用前景非常廣泛，比如設計材料、加速農業固氮、水解獲得清潔能源等等，實現更多可持續性的目標。