量子飞跃,量子系统模拟分子再次创下纪录

2019-09-11 作者:白小姐资料   |   浏览(73)

新材料如何实现“量子飞跃”

最新一期《自然》杂志刊登了量子计算机领域一项重大突破:IBM公司科学家利用其研发的全新算法,成功在7量子位系统中模拟出氢化铍分子,是迄今量子系统模拟的最大、最复杂分子,打破了以往纪录。新研究意味着用小型量子系统研发新药和各种新材料指日可待。

北京3月21日电 特稿:新材料如何实现“量子飞跃”

当今超级计算机能模拟氢化铍和其他简单分子,并已在物理学和化学领域广泛应用。但模拟分子面临的最大挑战是计算化合物的基本能态,即必须模拟出每个原子内每个电子与其他所有原子的原子核间相互作用,这种相互作用遵循的是微观层面的量子力学原理,对传统超级计算机来说,模拟出这些量子特性的分子结构不仅要消耗大量能量,而且随着分子内原子数增加,模拟愈加困难。

长期以来,人们对量子信息技术应用的关注一直集中在数据传输和加密等领域。新研究将目光转向化学领域,使量子系统有望助力开发新药和新材料等。研究人员最近使用量子计算机对简单分子进行建模,实现新材料的“量子飞跃”,成为量子计算商用化的开始。

科学家于是将目光投向量子计算机,认为其能克服传统计算机无法解决的难题。但量子计算机非常敏感,其准确性通常会受到温度或电磁场等波动的影响。此研究之前的纪录是,用3个量子位模拟出氢气这一结构简单的分子。

美国《麻省理工科技评论》日前将“材料的量子飞跃”列入2018全球十大突破性技术。

新研究打破了这一局限。IBM研究团队利用其开发的全新算法,在特定金属超导体制作的7量子位系统中计算出氢化锂、氢气和氢化铍的最低能态,并模拟出这3种分子。其中氢化铍为迄今在量子系统中模拟的最复杂分子,创造了量子系统模拟新纪录。

美国国际商用机器公司率先取得突破,采用7量子比特的量子计算机对小分子的电子结构成功进行仿真计算,相关成果发表在英国《自然》杂志上。借助该技术,科学家能了解分子的各个方面信息,开发出更有效药物和能源效率更高的新材料。

研究人员表示,长期以来人们认为,量子计算机在数据传输和加密等领域的应用,还需很长时间才能实现,但新研究将目光从物理学转向化学领域,使量子系统有望率先在发现新药和新材料中发力。现有成熟量子计算机已经达到20个量子位,只要开发出更复杂的算法,就能模拟出包含数十个原子的复杂分子。IBM已经通过云服务公开其16个量子位计算机和各种量子化学算法,并呼吁化学界研究人员利用这些工具,进行模拟分子的研究。

量子计算机如何带来材料的“量子飞跃”?首先,从量子计算基本原理看,量子计算机与传统计算机最大区别是运算方式:传统计算机的计算单位是比特,只能处于0或1的二进制状态;而量子计算机则将信息存储在量子比特中,量子比特以0和1的叠加态存在,并可使用量子纠缠和量子叠加等独特的量子效应进行信息处理,极大提高计算效率。

具体在材料研发领域,最大挑战是在分子建模中计算化合物的基本能态,即必须模拟出每个原子内电子与其他原子的相互作用,这种相互作用遵循量子力学原理。用传统计算机模拟这些分子结构要消耗大量能量,且随着分子内原子数增加,模拟愈加困难。相反,量子计算机在模拟这些具有量子特性的分子结构方面有天然优势。

IBM研究团队采用全新算法,利用特定金属超导体制作的量子计算机计算出氢化锂、氢气和氢化铍的最低能态,并模拟出这3种分子。氢化铍是迄今在量子系统中模拟的最复杂分子,创造了量子系统模拟新纪录。此外,IBM还通过云服务公开其16个量子位计算机和各种量子化学算法,呼吁化学家利用这些工具进行模拟分子的研究。

全球各大科技巨头争相在材料研发领域试水量子计算。谷歌和大众汽车合作,利用量子计算模拟和优化开发电动汽车所用的高性能电池结构,创造更智能的汽车和更好的基础设施。

谷歌还在线免费开放开源量子计算软件OpenFermion,化学家和材料学家可利用谷歌软件改编算法和方程,从而让化学模拟能在量子计算机上运算。这款软件包含一个算法库,能在量子计算机上模拟电子的相互作用,帮助科学家将化学分子模拟实验和材料描述为量子计算机可以理解的编程方式,节约大量时间。

材料的“量子飞跃”让人看到了量子计算更加贴近生活的应用场景。目前,中国的量子计算理论和应用研究方兴未艾,但与国外尚有差距。领跑全球量子计算领域的是IBM、谷歌等科技公司,而中国量子计算还停留在高校实验室研究阶段,企业的商业化应用尚不成熟。

中国科学院物理所研究员、北京凝聚态物理国家实验室首席科学家丁洪此前接受媒体采访时说,量子通信和量子计算是量子信息技术的两个重要方面,虽然中国科学技术大学潘建伟团队的工作让中国在量子通信方面走到了世界最前列,但在量子计算这个更广阔的领域,中国与美国仍有差距。

不过,中国科技公司已开始在这方面大力布局,阿里、腾讯、百度先后成立了量子计算实验室,力求在该领域抢占赛道。据悉,目前相关实验室均处在“招兵买马”阶段,对量子信息技术、物理、数学、计算机等领域人才的需求十分迫切。

阿里云量子技术首席科学家施尧耘接受记者采访时说,阿里正计划在北京建立量子计算团队,重点研究利用量子算法开发新材料和药物。现在量子计算在开发新材料方面的应用仍处在早期阶段,但有望在5年内成熟。

施尧耘认为,目前量子计算在美国已进入市场最佳调配资源期。不光几个大公司有重大投入,资本市场也已进入这个领域,缔造了多个创业公司。对技术进步的纯粹追求、效率至上的观念以及良好待遇等因素,使企业对人才有巨大吸引力,也使得企业成为美国“量子国家队”的主力军。

“中国发展量子计算可以借鉴之处在于:加速大批量、高质量的人才培养,鼓励人才自由流动,支持和激励企业进入,鼓励国际化。”施尧耘说。

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