随着科技的不断发展，结合量子计算机进行化学问题的求解正逐渐成为解决计算化学瓶颈的一种潜在方法。最近，中国科大超导量子团队与北京大学理论团队合作的一项研究，实现了对氢气（H2）、锂氢化物（LiH）和氟气（F2）等分子的基态能量近似求解，并在氢气（H2）和锂氢化物（LiH）分子上达到了化学精度。
这项研究展示了在含噪声的中等规模超导量子处理器上实现高效可靠的量子计算化学解决方案的可能性。文章以”Experimental quantum computational chemistry with optimized unitary coupled cluster ansatz”（https://doi.org/10.1038/s41567-024-02530-z）为题发表于最近的《Nature Physics》上。
▲“祖冲之号”量子计算机（来源：Wu, Y. et al, 2021）
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化学：从古法炼丹到模拟计算
化学作为一门古老的科学，拥有相当长的历史。从古时候帝王想长生不老整天琢磨的炼丹术，到现代淘金客们摸索出的冶金术，到如今平民百姓的衣食住行，哪儿都离不开化学。
古代人们对化学更多是经验性的探索，并不知道背后的原理。1803年，约翰道尔顿的原子理论的出现，才开启了化学真正属于科学的时代。人们开始把原子想象成小球，分子想象成小球的聚合体。1869年，门捷列夫画出元素周期表，人们才慢慢知道了这些“小球”作为积木，是如何构建我们的世界的。
▲门捷列夫
随着量子力学的建立和发展，人们不断深入了解微观粒子之间相互作用的基本规则，构成物质的“化学”逐渐变得“物理”了起来。通过建立数学物理模型对粒子性质进行计算的计算化学由此而来。
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量子计算机：困境中“碰撞”出新火花
但是，想要深入了解化学反应的过程并不是件容易的事，困难在于基本规则应用于真实体系时，方程会变得过于复杂而无法求解。
以最简单（只包含一个原子核和一个电子）的氢原子（H）为例，研究时基本只需要考虑电子和原子核的相互作用，有点像一颗行星围绕恒星旋转的两体运动，还是可以用薛定谔方程精确求解的。可是，当研究对象变成氦原子（He）、氢分子（H2）等，粒子的复杂相互作用使计算量级陡增，为薛定谔方程的求解带来了困难。
当然，计算机，尤其是如今超级计算机的出现，大大促进了计算化学领域的发展。在高性能计算机上进行计算化学已成为研究材料的物理、化学性质的重要手段。然而，利用经典计算机进行精确模拟求解具有指数级的复杂度，可模拟的化学体系规模严重受制于此。计算化学受制于经典计算的极限，陷入了算力困境。
计算化学的发展受到传统计算方法的限制，量子计算机的发展则给计算化学带来了新的可能。美国谷歌的“悬铃木”（2019年）、中国科大“九章”系列（2020年）、“祖冲之号”系列量子计算原型机（2021年）等均已实现了“量子计算优越性（Quantum advantage）”，即对特定问题的计算能力超越经典超级计算机。这些成就不仅证明了量子计算的强大潜力，也推动了量子计算化学这一新兴领域的快速发展。
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“祖冲之号”：进军化学界
量子计算化学中，一个重要的研究问题是求解化学体系的基态（即化学体系处于最低能级的状态）。中国科大此次的工作，求解的具体执行者是大名鼎鼎的超导量子计算机——“祖冲之2.0”。
研究者提出了一种可扩展的量子计算化学求解模式，使用了基于优化的UCCSD（Unitary Coupled Cluster with single and double excitations）的模型假设，结合变分量子算法，并使用了多种误差缓解手段和硬件优化，结果表明实际实验结果与理论推导较为一致。本次工作对已有理论进行了实践检验，在含噪声的量子计算机上实现了高质量结果的实验技术，有效推动了量子计算化学从理论到实验实践的重要进步。
此外，对实验数据的评估结果也表明，该实验方案是可拓展的。这意味着，未来通过改善各类硬件参数，量子计算化学将有潜力进行更大分子的计算，从而最终超越经典计算机，在化学问题上实现量子计算机的实用化，并进一步促进材料以及药物的研发。
▲不同分子的VQE模拟势能曲线（来源：Guo et al, 2024）
总的来说，这项研究为量子计算在化学领域的应用提供了重要的参考依据，为解决更大规模的复杂化学问题指明了道路。就如同Preskill教授展望量子计算的未来时阐述的：“我们有充分的理由相信量子计算机能够有效地模拟任何发生在自然界中的过程。这对于目前我们所熟知的数字计算机而言，模拟这种高度纠缠的量子系统将是无法想象的。在量子计算机的帮助下，我们应该可以更深入地探究复杂分子和奇异材料的特性，并用新的方法探索基础物理学方面的知识。”
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