大众在D-Wave机器上解决量子化学问题

至少在1982年，当物理学家理查德费曼首次提出量子计算机的概念时，科学家们一直梦想使用这种奇特的机器来模拟原子和分子中的量子现象。现在，在3月份发表的一篇论文中，大众汽车公司在慕尼黑和旧金山的科学家们使用D-Wave 2000Q量子计算机来解决基本的量子化学问题。

大众科学家说，结果使用日益流行的加拿大量子计算机系统，证明了费曼的愿景原理。该纸它们将呈现三月，它们的预印本服务器上的arXiv共享，描述运行d波计算该发现分子氢和分子氢化锂的基态能量。

两种分子都是众所周知的并且研究得很好 什么是新的不是任何突破性的化学发现，而是在量子领域探索化学的越来越有前途的计算途径。(IEEE Spectrum涵盖了IBM在2017年使用不同类型的量子计算机系统所做的类似工作。)

“我们的目标是让人们感受到这些问题，以便在未来找到更好的方法，” 旧金山大众汽车集团首席科学家Florian Neukart说。研究人员没有在传统的计算机系统上运行类似的算法来查看D-Wave计算是否更快。

D-Wave计算机被称为“量子退火炉”，使用机器的128,000个超导约瑟夫森结来运行复杂的电路。集成超导电路冷却到绝对零度以上的千分之一，在量子位之间包含2,048个量子比特(量子比特)和6,016个互连(也称为耦合器)。它被称为退火炉，因为电路在一种状态下开始，然后缓慢过渡到其最终状态，其各个量子位表示答案的蒸馏。

“并非所有的量子比特都相互连接，”Neukart谈到了D-Wave计算机的架构。“对于未来的机器，增加量子比特数并不是唯一的任务，增加连接性(即耦合器的数量)也很重要。”

在一个成熟的量子计算机中，称为纠缠的量子现象将每个量子位与每个其他量子位相连。然而，D-Wave量子退火炉是一种量子信息设备，它正在走向成熟的通用量子计算机。它无法运行通用量子计算机可以运行的各种量子算法。

也就是说，Neukart说，D-Wave设备可以做很多事情 - 通常涉及寻找复杂问题的最佳解决方案。迄今为止，D-Wave计算机已被用于交通分析，选择金融投资组合的投资，寻找新药开发的有希望的候选者，以及研究基因组学和粒子物理学。

Neukart说，模拟像复杂分子这样的量子系统，可能要到下一代机器可用才会发生。与其他(通用)器件相比，D-Wave的2,048个量子比特虽然令人印象深刻，但仍不太适合进行全面的量子化学模拟。

他的小组的论文载有量子化学模拟的愿望清单，足够强大的量子计算应该能够解决。这些问题包括设计下一代电池，通过对光合作用的详细研究来优化太阳能电池，并忠实地模拟复杂分子，而不需要采用传统计算机必须依赖的近似值来使模拟易于处理。

他说，D-Wave可以在愿望清单上找不到这些项目。但是更大且更互连的量子退火装置可能能够解决这些大问题。他说，现在是时候开始了解量子化学问题如何在当前的D-Wave上运行。

“我们目前的工作是量子退火装置上量子化学问题的第一次实地研究，”他说。“我们的目标是了解问题的瓶颈。这最终有助于[我们]理解潜在的问题，并找到新的解决方案或合适的子问题。“

Neukart表示，任何想要尝试自己的量子算法的人都可以从D-Wave在GitHub上的开源库开始。他说，对于初学者来说，甚至不需要实际的D-Wave设备。在传统计算机上运行的D-Wave计算的模拟是一个很好的起点。

“这些[GitHub]库可用于解决优化问题，”Neukart说。“如果无法访问真实芯片，可以使用经典模拟器进行首次实验。因此，每个人都能够学习量子退火并试一试。“

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