Google 實現量子化學模擬，迄今為止全球首例 - 傑愛得資訊 jumpAD

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作者雷鋒網 | 發布日期 2020 年 09 月 01 日 7:15 | 分類 Google , 尖端科技 , 量子電腦

量子計算發現了新大陸！8 月 27 日，Google 量子計算研究團隊宣布其使用量子電腦對化學反應路徑進行建模取得突破性進展，這是迄今為止首次、也是最大規模的化學量子計算。

其發表的題為《超導量子位元量子電腦的 Hartree-Fock 近似模擬》（Hartree-Fock on a Superconducting Qubit Quantum Computer）的成果論文，當天便登上了《自然》雜誌封面。

量子計算模擬化學反應
值得一提的是，這已經是 Google 第二次因量子研究登上《自然》雜誌封面了。

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第一次是在去年 10 月，Google 發表重量級量子優越性研究成果。在這篇的論文中，Google 用 54 個量子位元的數組達到了量子優越性，並在 200 秒內完成了規定操作，與此相同的運算在當時世界最大的超算 summit 上也需要 10,000 年才能完成。

可以說，此項研究在量子計算的歷史上將具有劃時代的意義。

而在這項研究中發揮關鍵作用的 Sycamore 處理器，也正是本次化學實驗中量子電腦所使用的處理器。

▲ Sycamore 處理器。

之所以採用量子電腦模擬，是由於原子和分子受量子力學系統控制，可以通過量子位來儲存資訊並執行計算，因此有望成為精確模擬的最佳方法。

具體而言，研究人員使用了噪聲魯棒的變分量子特徵求解演算法 VQE（variational quantum eigensolver）直接模擬了化學機制。

在反應中，2 個氮原子和 2 個氫原子組成了二氮烯分子。其過程是，氫原子在氮原子周圍不斷移動形成了不同的結構。經過檢測發現，量子模擬與傳統計算機上執行的模擬結果基本吻合，由此可以確定量子模擬的有效性。

除此之外，整個 Hartree-Fock 運算方程近似於一個真實化學系統，它是量子電腦上傳統化學計算的 2 倍，並且包含了 10 倍的量子門操作。

雖然氮氫反應是較為基礎的化學反應，甚至不需要配備量子電腦來模擬就可以輕鬆得出結果，但研究人員 Babbush 介紹，此項研究驗證了當前量子電腦開發的演算法可以達到實驗預測所需的精度，開拓了一條通往量子化學系統逼真的模擬路徑。

接下來，他們會將量子模擬的演算法擴大到更複雜更大分子的化學反應中，而這會非常容易，只需要更多的量子位和較小的演算法調整即可。他強調稱，

未來我們甚至可以使用量子模擬來開發新的化學物質。

VQE 演算法減少量子誤差
使用量子電腦模擬分子系統的基態能量存在很多方法，而在本次研究中，研究人員專注於量子演算法「構件塊」（building block）或電路元圖，並透過 VQE 完善其性能。

在傳統設置中，該電路元圖等效於 Hartree-Fock 模型，是優化版化學模擬演算法的重要電路組件。該組件的魯棒誤差抑制對於精確模擬至關重要。

量子計算中的誤差是由於量子電路與環境的相互作用而產生的（即使很小的溫差也可能導致量子位元誤差）。

而無論是在量子位元還是其他方面產生的誤差，在模擬化學反應時，量子演算法必須以較低的成本解決掉這些誤差。就像實現量子糾錯碼。

解決誤差最流行的方法是使用 VQE。實驗中，研究人員選用了幾年前開發的 VQE，它將量子處理器看做神經網路，可以透過最小化成本函數來優化量子電路的參數，並解決嘈雜的量子邏輯。

簡言之，就像傳統神經網路可以通過優化容忍數據中的缺陷一樣，VQE 可以透過動態調整量子電路參數解決量子計算過程中產生的誤差。

Sycamore 處理器實現高精準度
如上文所說，本次研究的量子電腦採用的是 Sycamore 處理器。

本次化學模擬實驗需要更少的量子位元，但是需要更高的量子門保真度來解決化學鍵問題。這導致了新的、有針對性的校準技術的發展，該技術可以最佳地放大誤差，進而便於對其進行診斷和糾正。

▲ 10 個量子位元上模擬 Hartree-Fock 對分子幾何形狀的能量預測。（Source：Google AI Blog，下同）

其誤差成因可能來源於量子硬體堆棧中。

Sycamore 具有 54 比特，由 140 多個單獨可調的元件組成，每個元件都由高速模擬電脈衝控制。要實現對整個設備的精確控制，需要對 2,000 多個控制參數進行微調，即使這些參數中的微小誤差也可以迅速擴大總計算中的誤差。

為了準確地控制設備，研究人員使用了自動化的框架，該框架將控制問題映射到具有數千個節點的圖形上，每個節點代表一個物理實驗以確定一個未知參數。遍歷此圖可從設備的先驗知識轉移到高保真量子處理器，並且可以在不到一天時間內完成。

最終，這些技術與演算法誤差緩解技術一起減少了錯誤數量級。如下圖：

上圖為氫原子線性鏈的能量隨著每個原子之間的鍵距增加而增加。其中，實線是使用傳統電腦進行的 Hartree-Fock 模擬，而點是使用 Sycamore 處理器進行計算的。

上圖為使用 Sycamore 計算的每個點的 2 個準確性度量（失真和平均絕對誤差）。「Raw」是來自 Sycamore 的原始誤差。「 + PS」是來自校正電子數量的一種誤差。「 +Puriflication」是一種針對正確狀態緩解誤差的措施。「 + VQE」是消除所有誤差後的優化結果。

開啟化學計算藍圖
Google 首席執行長桑德爾·皮查伊（Sundar Pichai）第一時間在 Twitter 上表達了自己喜悅的心情，他稱：

此次在量子化學領域的最新成果是迄今為止最大的化學量子計算，也是第一次使用量子電腦對化學反應路徑進行建模。

電子能量的量子計算可以打破困擾多粒子量子力學的維數詛咒，換句話說，通用量子電腦具有從根本上改變計算化學和材料科學的潛力，但在這些領域中，強電子相關性對傳統電子結構方法帶來了阻礙。

而本次研究利用 Sycamore 處理器、VQE 模型以及誤差緩解策略為量子化學系統開闢了一條新的路徑。透過對多達 12 個量子位元的仿真測試，確保了化學反應精度，同時為擴展到更大更複雜的化學系統提供了可能性。

研究團隊表示，本次實驗可以成為量子處理器實現化學計算的藍圖，以及物理模擬優勢的起點。更重要的是，未來已知如何以一種簡單的方式修改本實驗中使用的量子電路，使得它們不再有效地可仿真，這將為改進的量子演算法和應用確定新的方向。