瑞典的量子计算机首次应用于化学

诸平

The quantum computer at Chalmers with the outer shielding of the dilution refrigerator removed. Credit: Chalmers/Anna-Lena Lundqvist

据瑞典查默斯科技大学（Chalmers University of Technology, Gothenburg, Sweden）2023年4月20日提供的消息，查默斯的量子计算机首次应用于化学(Swedish quantum computer applied to chemistry for the first time)。

人们对量子计算机（quantum computers）可能为模拟化学过程带来革命性的新可能性寄予厚望。这可能会对从新药开发到新材料的所有领域产生重大影响。查默斯科技大学的研究人员首次在瑞典使用量子计算机进行真实的化学计算。相关研究结果于2023年1月27日已经在《化学理论与计算杂志》（Journal of Chemical Theory and Computation）网站发表——Phalgun Lolur, Mårten Skogh, Werner Dobrautz, Christopher Warren, Janka Biznárová, Amr Osman, Giovanna Tancredi, Göran Wendin, Jonas Bylander, Martin Rahm. Reference-State Error Mitigation: A Strategy for High Accuracy Quantum Computation of Chemistry, Journal of Chemical Theory and Computation, 2023, 19(3): 783–789. DOI: 10.1021/acs.jctc.2c00807. Publication Date (Web):January 27, 2023. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jctc.2c00807.

参与此项研究的除了来自查默斯科技大学的研究人员之外，还有来自瑞典哥德堡阿斯利康(AstraZeneca, Mölndal, Gothenburg, Sweden) 的研究人员。

“理论上，量子计算机可以用来处理电子和原子核以更复杂的方式运动的情况。如果我们能学会充分利用它们的潜力，我们就能突破计算和理解的界限，”领导这项研究的查默斯科技大学化学和化学工程系理论化学副教授马丁·拉姆（Martin Rahm）说。

在量子化学领域中，量子力学定律被用来理解哪些化学反应（chemical reactions）是可能的，哪些结构和材料可以发展，以及它们具有什么特性。这些研究通常是在超级计算机的帮助下进行的，超级计算机是由传统的逻辑电路构建的。然而，传统计算机的计算能力有限。由于量子力学的定律描述了自然界的亚原子行为，许多研究人员认为量子计算机比传统计算机更适合进行分子计算。

上述论文的通讯作者马丁·拉姆说：“世界上的大多数东西都是天生的化学物质。例如，我们的能量载体，无论是在生物学中还是在旧的或新的汽车中，都是由电子和原子核（atomic nuclei）组成的，它们在分子和材料中的排列方式不同。我们在量子化学领域要解决的一些问题是，计算出这些排列中哪些更可能或更有利，以及它们的特性。”

一种将量子化学计算中的误差最小化的新方法（A new method minimizes errors in the quantum chemical calculations）

量子计算机要达到研究人员的目标还有很长的路要走。这一领域的研究尚处于起步阶段，量子计算机周围环境的噪声使小型模型计算变得复杂。然而，马丁·拉姆和他的同事们发现了一种方法，他们认为这是向前迈进的重要一步。这种方法称为参考态误差缓解（Reference-State Error Mitigation简称REM），通过利用量子计算机和传统计算机的计算来校正噪声引起的误差。

马丁·拉姆说：“这项研究是概念验证，证明我们的方法可以提高量子化学计算的质量。这是一个有用的工具，我们可以用它来改进量子计算机的计算能力。”详见发表在《化学理论与计算杂志》上题为“降低参考态误差：化学高精度量子计算的策略（Reference-State Error Mitigation: A Strategy for High Accuracy Quantum Computation of Chemistry）”的文章。

该方法的原理是首先考虑参考态（reference state），在传统计算机和量子计算机上描述和解决相同的问题。这个参照态代表了分子的一个简单描述，而不是量子计算机原本打算解决的问题。传统的计算机可以快速解决这个简单版本的问题。通过比较两台计算机的结果，可以准确估计噪声引起的误差量。当在量子处理器上运行时，两台计算机对参考问题的解之间的差异就可以用来修正原始的、更复杂的问题。

通过将这种新方法与查默斯的量子计算机——Särimner的数据相结合，研究人员成功地计算了小分子的内在能量，例如氢和氢化锂（lithium hydride, LiH）。在传统计算机上可以更快地进行等效计算，但新方法代表了一个重要的发展，它是瑞典量子计算机上量子化学计算的首次演示。

“我们认为，当下一代量子计算机准备就绪时，进一步发展这种方法的可能性很大，可以计算更大更复杂的分子。”马丁·拉姆说。

查默斯制造的量子计算机（Quantum computer built at Chalmers）

这项研究是与查默斯科技大学微技术和纳米科学系（Department of Microtechnology and Nanoscience）的同事紧密合作完成的。他们已经建造了量子计算机，用于这项研究，并帮助完成了化学计算所需的灵敏测量。

“只有通过使用真正的量子算法，我们才能了解硬件的真正工作原理以及如何改进它。化学计算是我们相信量子计算机将发挥作用的首批领域之一，因此我们与马丁·拉姆团队的合作尤其有价值，”微技术和纳米科学系量子技术副教授乔纳斯·拜兰德（Jonas Bylander）说。

本研究得到了瓦伦堡量子技术中心(Wallenberg Center for Quantum Technology简称WACQT)和欧盟量子技术旗舰项目{ Wallenberg Center for Quantum Technology (WACQT) and from the EU Flagship on Quantum Technology H2020-FETFLAG-2018-03 Project 820363 OpenSuperQ}的资助；也得到了欧盟地平线欧洲研究和创新计划在玛丽-居里资助协议下的资助（European Union’s Horizon Europe research and innovation program under the Marie Skłodowska-Curie grant agreement No. 101062864）；还有来自瑞典研究委员会部分资助（Swedish research council through Grant Agreement No. 2018-05973）。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。 注意，下图中的VQE是变分量子本征求解器（variational quantum eigensolver）的简称。

Abstract

Decoherence and gate errors severely limit the capabilities of state-of-the-art quantum computers. This work introduces a strategy for reference-state error mitigation (REM) of quantum chemistry that can be straightforwardly implemented on current and near-term devices. REM can be applied alongside existing mitigation procedures, while requiring minimal postprocessing and only one or no additional measurements. The approach is agnostic to the underlying quantum mechanical ansatz and is designed for the variational quantum eigensolver. Up to two orders-of-magnitude improvement in the computational accuracy of ground state energies of small molecules (H₂, HeH⁺, and LiH) is demonstrated on superconducting quantum hardware. Simulations of noisy circuits with a depth exceeding 1000 two-qubit gates are used to demonstrate the scalability of the method.