世界上第一个使用捕获离子的化学键的量子计算机模拟

一个国际研究小组已经完成了世界上第一个量子化学计算的多量子比特演示，该演算是在一个捕获离子系统上进行的，这是开发通用量子计算机的领先硬件平台之一。

这项由悉尼大学物理学家Cornelius Hempel博士领导的研究探索了一种有希望的途径，用于开发使用量子计算机模拟化学键和反应的有效方法。它今天发表在Physicial Review X上美国物理学会的物理中。

“即使是最大的超级计算机也在努力准确地模拟除了最基本的化学之外的任何东西。然而，模拟大自然的量子计算机开启了一种理解物质的全新方式。它们将为我们提供一种解决材料科学，医学和物质问题的新工具。使用模拟的工业化学。“

由于量子计算仍处于起步阶段，目前还不清楚这些设备在解决方面最有效的问题，但大多数专家都认为量子化学将成为这一新兴技术的首批“杀手级应用”之一。

量子化学是使用量子力学理解分子的复杂键和反应的科学。除了最简单的化学过程之外，任何东西的“活动部件”都超出了最大和最快的超级计算机的能力。

通过使用量子计算机对这些过程进行建模和理解，科学家们希望能够解开化学反应的低能量途径，从而设计出新的催化剂。这将对工业产生巨大影响，例如化肥的生产。

其他可能的应用包括通过改进材料开发有机太阳能电池和更好的电池，并使用新见解设计个性化药物。

Hempel博士与位于奥地利因斯布鲁克的量子光学和量子信息研究所的同事合作，在20-qubit器件上仅使用4个量子比特来运行算法来模拟分子氢和氢化锂的能量键。

选择这些相对简单的分子是因为它们被很好地理解并且可以使用经典计算机来模拟。这使得科学家们可以检查正在开发的量子计算机提供的结果。

Hempel博士说：“这是该技术发展的一个重要阶段，因为它允许我们设定基准，寻找错误并计划必要的改进。”

Hempel博士的工作不是针对迄今为止最准确或最大的模拟，而是专注于一种有前途的量子经典混合算法(称为变分量子本征解算器或VQE)可能出现的问题。

通过研究编码化学问题的不同方法，研究人员正在采取措施来抑制当今不完美的量子计算机中出现的错误，并阻碍这些机器的近期有用性。

误差抑制是悉尼大学量子控制实验室研究的核心，由Michael Biercuk教授领导，他最近推出了澳大利亚首个私人量子初创公司Q-CTRL。在因斯布鲁克大学进行实验的Hempel博士现在希望利用悉尼的专业知识来改进这些模拟可以实现的目标。

该论文今天发表在物理评论杂志X上，与因斯布鲁克量子计算先驱Rainer Blatt教授和前哈佛大学教授AlánAspuru-Guzik共同撰写，后来他搬到了多伦多大学。

来自因斯布鲁克IQOQI的Blatt教授说：“量子化学是一个例子，量子计算机的优势很快就会在实际应用中变得明显。”

悉尼大学纳米研究所量子科学领域的负责人Ivan Kassal博士说：“这项工作是量子化学最有前景的方法之一，在真正的量子信息处理器上证明了它的卓越性。”

他说Hempel博士决定于2016年搬到悉尼大学，这是校园里强大的量子团队的一个很好的补充。“理论化学和材料科学是这所大学的优势，他们将通过这些最新的量子计算技术得到增强，”他说。