前无古人！科学家基于离子阱首次实现了化学键的量子计算模拟

化学键与化学反应模拟有望首次大规模应用在量子计算机领域。当前，物理学家演示了世界上首个基于离子阱位的化学键模拟，它在全面量子计算领域内具有极高应用前景。
 

      一个多国研究人员组成的研究团队演示了世界上首个基于离子阱系统的的多量子化学计算方式，这也是开发通用量子计算机的主要硬件平台之一。

      这项研究由悉尼大学物理学家Cornelius Hempel博士领导，同时他还探索了利用量子计算机建立化学键和反应模型的有效途径。这项成果发表在美国物理学会《物理评论X》上的最新一期。

      “即使是最大的超级计算机也很难精确地模拟除了最基本的化学物质以外的任何东西。然而，量子计算机却是在模拟自然，它带动了一种全新的理解方式。它们将为我们提供一个新的工具并以一种模拟的方式来解决材料科学、医学和工业化学方面的问题。”

      量子计算还处于起步阶段，目前还不清楚这些设备将有效地解决哪些问题，但大多数专家都一致认为量子化学将会是这一新兴技术的首批“杀手级应用”之一。

      量子化学是利用量子力学来理解分子中存在的复杂键合与反应的科学。除了最简单的化学反应之外，任何物质的“反应部分”都超出了内存最大，速度最快的超级计算机所能承受的极限。

      通过使用量子计算机对这些过程进行建模和理解，科学家们希望能够解开化学反应的低能路径，从而设计出新的催化剂。这将对工业产生巨大的影响，例如化肥的生产。

      量子计算机模拟还可用于开发有机太阳能电池和通过改进的材料来生产更优质的电池以及研发个性化药物。

       Hempel 博士与奥地利因布斯布鲁克量子光学和量子信息研究所（ Institute for Quantum Optics and Quantum Information ）的同事进行合作，他们在一个20量子位的装置上使用了4个量子位来运行算法，用来模拟氢分子和氢化锂分子的能量键。

      使用这些相对简单的分子是因为更方便去理解，并且也更容易利用经典计算机去模拟。同时，科学家还可以用来检查当前开发的量子计算机所提供的结果是否正确。

       Hempel博士说：“这是这项技术发展的一个重要阶段，因为我们可以利用它来制定基准，寻找错误并做出必要的改进。”

       Hempel博士的目光并不是放在研究出迄今为止最精确或最大的量子模拟，而是聚焦在更有前景的量子经典混合算法中所出现的那些问题，即可变量子本征求解或VQE。

       通过研究不同的方法来编码化学问题，研究人员正在寻找方法来抑制目前并不完善的量子计算机中出现的错误，并定位这些机器的近期用途。

       错误抑制是悉尼大学 (University of Sydney)量子控制实验室研究的核心，该实验室由迈克尔•比尔库(Michael Biercuk)教授领导，他于近日推出了澳大利亚的第一家私人量子初创企业Q-CTRL。Hempel博士也在因斯布鲁克大学做这项实验，现在他希望利用悉尼在这一方面的专业优势来改进这些模拟所能达到的效果。

       这篇论文近日发表在《物理评论X》杂志上，此论文是由量子计算领域的先驱、因斯布鲁克教授Rainer Blatt与前哈佛大学（现多伦多大学）教授Alán Aspuru-Guzik共同撰写。

      因布斯布鲁克量子光学和量子信息研究所（ IQOQI in Innsbruck）的Blatt教授说:“量子化学只是一个例子，量子计算机的优势将很快在实际应用中显现出来。”

      悉尼大学纳米研究所量子科学领域的负责人Ivan Kassal博士说:“能够出色的完成这项研究，并使其在量子化学领域内成为最有前途的方法之一，更加证实了量子信息处理器的重要性。”

      他认为Hempel博士于2016年决定加入悉尼大学，对该校本就实力强大的量子研究团队来说是如虎添翼。他还说道：“理论化学和材料科学本是这所大学的王牌专业，这些专业的实力还会因量子计算最新成就的加持下更上一层楼。”

文章来自sciencedaily.com，原文题目为：World-first quantum computer simulation of chemical bonds using trapped ions，由材料科技在线汇总整理。