导读

经过几十年的发展，知名的摩尔定律越来越难以为继，传统计算机的计算能力再也无法同以前一样飞速的增长，而量子计算机则恰好对此进行了补充，有望解决传统计算机所不能解决的问题。

如今，包括 Google，IBM 和 D-wave 在内的众多公司、科研单位都在为“量子霸权”的早日实现而争分夺秒，而他们所看中的恰恰是相较于传统计算机，量子计算机所具有的三大优势：

量子算法

第一个量子算法，可以短时间内对大整数进行因式分解，可以用来破解当今应用最广泛的 RSA 密钥体系。

 量子搜索算法

用很少的搜索次数找到目标客体，有许多用途，也可以用来攻击密码体系，比如 DES 加密，在大量可能的密钥中强行试出正确的密钥。

量子模拟

由于量子计算机是基于量子力学基本原理运行的计算机，对于同样遵循量子力学的微观粒子体系，相比于传统计算机使用一些方法去近似，量子计算机可以用很少的计算资源完美地模拟出体系状态。

 

而在这三者之中，量子模拟可以说是全世界物理学家最感兴趣的技术。

最近，IBM Q 团队在量子模拟领域取得了重大的进展，他们宣布在自己的超导量子设备上实现了一种新的量子算法，这种算法可以模拟真实分子，能够高效精确地计算出小分子电子的最低能态。

根据了解，IBM Q 团队所使用的量子设备中的量子处理器包含 7 个超导量子比特 ，通过将分子轨道上的电子结构映射到量子处理器上，可以计算出电子的最低能态。

尽管这种七个量子比特量子处理器没有做完全的纠错和容错，但是单个量子比特的相干时间大约为 50μs。因此，如何设计算法，能够充分利用这宝贵的相干时间内的量子一致性，并计算出分子结构是非常重要的。并且这种算法还必须考虑到处理器的比特数和操作次数。

相比于之前的量子模拟算法将传统的分子模拟方案直接应用于量子硬件，没有考虑当前有限量子器件的资源。IBM 的科学家们反其道而行，他们在充分评估自己量子处理器性能的前提下，设计了一种新的量子算法：

首先，用一种新的映射方法将分子的“哈密量”映射到量子比特的哈密顿量，这种映射方法可以减少量子模拟需要的量子比特数量。然后利用一些量子门操作来操作连接在量子比特上的量子电路 ，从而制备哈密尔顿量的试验基态。接着，将量子处理器驱动到试验基态，并进行测量，得到制备的试验态的能量，最后将测量的能量值反馈到一段传统的优化程序中，操作下一个量子电路以驱动量子处理器，以便进一步减少能量。只要不断重复以上操作就能获得达到所需精度的最低能量。

研究组表示，相信不久的将来，随着量子处理器集成度的增加，运算能力的发展，运用这项技术可以探索超出传统计算机能力的复杂大分子，准确地预测其化学反应，这将极大的推动新化肥，新药甚至是新的可再生能源的研究。

原文发布时间为：2017-03-23
本文作者：彭承志
本文来源：九州量子，如需转载请联系原作者。