Science封面:谷歌实现量子化学模拟,迄今为止全球首例!

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量子计算发现了新大陆!

8月27日,谷歌量子计算研究团队宣布其使用量子计算机对化学反应路径进行建模取得了突破性进展,这是迄今为止首次,也是最大规模的化学量子计算。

其发表的题为《超导量子比特量子计算机的 Hartree-Fock 近似模拟》(Hartree-Fock on a Superconducting Qubit Quantum Computer)的成果论文,当天便登上了《自然》杂志封面。

量子计算模拟化学反应

值得一提的是,这已经是谷歌第二次因量子研究登上《自然》杂志封面了。

第一次是在去年10月,谷歌重磅发布量子优越性研究成果。在这篇的论文中,谷歌用54个量子比特的数组达到了量子优越性,并在200秒内完成了规定操作,与此相同的运算在当时世界最大的超算summit上也需要10000年才能完成。 

可以说,此项研究在量子计算的历史上将具有划时代的意义。

而在这项研究中发挥关键作用的Sycamore 处理器,也正是本次化学实验中量子计算机所使用的处理器。

Sycamore 处理器

之所以采用量子计算机模拟,是由于原子和分子受量子力学系统控制,可以通过量子位来存储信息并执行计算,因此有望成为精确模拟的最佳方法。

具体而言,研究人员使用了噪声鲁棒的变分量子特征求解算法VQE(variational quantum eigensolver)直接模拟了化学机制。

在反应中,两个氮原子和两个氢原子组成了二氮烯分子。其过程是,氢原子在氮原子周围不断移动形成了不同的结构。经过检测发现,量子模拟与传统计算机上执行的模拟结果基本吻合,由此可以确定量子模拟的有效性。

除此之外,整个Hartree-Fock运算方程近似于一个真实化学系统,它是量子计算机上传统化学计算的两倍,并且包含了十倍的量子门操作。

虽然氮氢反应是较为基础的化学反应,甚至不需要配备量子计算机来模拟就可以轻松得出结果,但研究人员Babbush介绍,此项研究验证了当前量子计算机开发的算法可以达到实验预测所需的精度,开拓了一条通往量子化学系统逼真的模拟路径。

接下来,他们会将量子模拟的算法扩大到更复杂更大分子的化学反应中,而这会非常容易,只需要更多的量子位和较小的算法调整即可。他强调称,

未来我们甚至可以使用量子模拟来开发新的化学物质。

VQE算法减少量子误差

使用量子计算机模拟分子系统的基态能量存在很多方法,而在本次研究中,研究人员专注于量子算法“构件块”(building block)或电路元图,并通过VQE完善其性能。

在传统设置中,该电路元图等效于Hartree-Fock模型,是优化版化学模拟算法的重要电路组件。该组件的鲁棒误差抑制对于精确模拟至关重要。

量子计算中的误差是由于量子电路与环境的相互作用而产生的(即使很小的温差也可能导致量子比特误差)。

而无论是在量子比特还是其他方面产生的误差,在模拟化学反应时,量子算法必须以较低的成本解决掉这些误差。就像实现量子纠错码。

解决误差最流行的方法是使用VQE。实验中,研究人员选用了几年前开发的VQE,它将量子处理器看作神经网络,可以通过最小化成本函数来优化量子电路的参数,并解决嘈杂的量子逻辑。

简言之,就像传统神经网络可以通过优化容忍数据中的缺陷一样,VQE可以通过动态调整量子电路参数解决量子计算过程中产生的误差。

Sycamore处理器实现高精度

如上文所说,本次研究的量子计算机采用的是Sycamore处理器。

本次化学模拟实验需要更少的量子比特,但是需要更高的量子门保真度来解决化学键问题。这导致了新的,有针对性的校准技术的发展,该技术可以最佳地放大误差,从而便于对其进行诊断和纠正。

10个量子比特上模拟Hartree-Fock对分子几何形状的能量预测

其误差成因可能来源于量子硬件堆栈中。

Sycamore具有54比特,由140多个单独可调的元件组成,每个元件都由高速模拟电脉冲控制。要实现对整个设备的精确控制,需要对2000多个控制参数进行微调,即使这些参数中的微小误差也可以迅速扩大总计算中的误差。

为了准确地控制设备,研究人员使用了自动化的框架,该框架将控制问题映射到具有数千个节点的图形上,每个节点代表一个物理实验以确定一个未知参数。遍历此图可从设备的先验知识转移到高保真量子处理器,并且可以在不到一天时间内完成。

最终,这些技术与算法误差缓解技术一起减少了错误数量级。如下图:

上图为氢原子线性链的能量随着每个原子之间的键距增加而增加。 其中,实线是使用经典计算机进行的Hartree-Fock模拟,而点是使用Sycamore处理器进行计算的。 

上图为使用Sycamore计算的每个点的两个准确性度量(失真和平均绝对误差)。 “Raw”是来自Sycamore的原始误差。 “ + PS”是来自校正电子数量的一种误差。 “ +Puriflication”是一种针对正确状态缓解误差的措施。 “ + VQE”是消除所有误差后的优化结果。

开启化学计算蓝图

谷歌首席执行官桑达尔·皮猜(Sundar Pichai)第一时间在Titter上表达了自己喜悦的心情,他称,

此次在量子化学领域的最新成果是迄今为止最大的化学量子计算,也是第一次使用量子计算机对化学反应路径进行建模。

电子能量的量子计算可以打破困扰多粒子量子力学的维数诅咒,换句话说,通用量子计算机具有从根本上改变计算化学和材料科学的潜力,但在这些领域中,强电子相关性对传统电子结构方法带来了阻碍。

而本次研究利用Sycamore处理器、VQE模型以及误差缓解策略为量子化学系统开辟了一条新的路径。通过对多达12个量子比特的仿真测试,确保了化学反应精度,同时为扩展到更大更复杂的化学系统提供了可能性。

研究团队表示,本次实验可以成为量子处理器实现化学计算的蓝图,以及物理模拟优势的起点。更重要的是,未来已知如何以一种简单的方式修改本实验中使用的量子电路,使得它们不再有效地可仿真,这将为改进的量子算法和应用确定新的方向。雷锋网雷锋网雷锋网(公众号:雷锋网)

引用链接:
论文:https://arxiv.org/pdf/2004.04174.pdf

代码:https://github.com/quantumlib/ReCirq/tree/master/recirq/hfvqe

 https://science.sciencemag.org/content/369/6507/1084

https://ai.googleblog.com/2020/08/scaling-up-fundamental-quantum.html

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