近年来，如何推动量子计算机开展有实际价值的计算，成为科研界的重点任务。近日，北京量子信息科学研究院博士魏世杰、清华大学博士李行与清华大学物理系教授龙桂鲁合作，开发了一款量子计算机“应用软件”，使量子计算机能够计算分子基态能级和对应的电子结构。相关成果不久前发表在《研究》杂志。

挖掘量子计算机的实用价值

2016年，IBM推出了5个比特的量子云计算平台；2019年，谷歌开发出53个比特的量子计算机，并用200秒演示了一个随机分布的计算，这展现了量子计算机超越现今世界上已有计算机算力的潜能。龙桂鲁在接受采访时表示，这一里程碑事件预示着，有噪中规量子计算时代的到来。

所谓有噪中规量子计算，是指利用具有几十到几千个量子比特的中等规模的量子计算机，带着“噪声”进行的计算，计算过程中尚无法进行纠错。“虽然它们‘带病’工作，但是仍然能展现超越现有电子计算机的惊人算力。”龙桂鲁说。

利用有噪量子计算机解决实际问题，成为业界的研究热点，并正逐步成为现实。已有研究发现，应用于材料合成、生物制药的量子化学模拟，是近期最有可能在应用层面实现量子优势的领域。

“应用软件”可兼容

龙桂鲁表示，构造有效的量子算法，是完成高效量子模拟的关键所在。

在研究中，龙桂鲁等人开发了全量子本征求解器（FQE），这相当于为量子计算机开发了一款特殊的“应用软件”。FQE安装在量子计算机上，可以计算分子基态能级和对应的电子结构。

FQE采用量子化的梯度下降算法。龙桂鲁等人把二次量子化的费米哈密顿量映射到希尔伯特空间的比特形式哈密顿量，应用量子梯度下降算法求得哈密顿量的基态能量和基态波函数。

“具体而言，在一个量子计算系统中，首先设定一个合适的量子初态，通过量子算法给出量子线路实现对应的动力学演化，通过迭代收敛到基态，最后测量量子态并得到需要的信息。”龙桂鲁解释说。

寻找最稳定结构在量子化学中是非常困难的，需要大量的计算，但这样的挑战对量子计算机来说，却是“拿手好戏”。龙桂鲁表示，FQE可以进行量子化学计算，通过变化分子中原子间的距离，找到能量最低状态，得到分子的最稳定结构。

而最引人关注的，是FQE具有很好的兼容性。“不仅可以在IBM和谷歌等开发的有噪量子计算机上工作，还可以在未来的大型容错量子计算机上工作。”龙桂鲁说。

拥抱有噪量子计算

区别于其他本征求解器需要在量子计算机和经典计算机之间不停转换，FQE的全部计算都在量子计算机上完成。之所以能实现这样的突破，是因为FQE采用了龙桂鲁在2002年提出的酉算子线性组合（LCU）。

此前，科研人员提出的量子计算模型中，只允许酉算子进行乘除运算。龙桂鲁提出的酉算子线性组合则突破了这种限制，酉算子不仅可以进行乘除运算，还可进行加减运算。

这一突破，为量子算法设计提供了新的途径。目前，该方法还被国外研究团队采用，以酉算子线性组合作为量子计算机的体系结构，研制出国际上首个通用集成光量子计算芯片。

龙桂鲁表示，随着有噪量子计算时代的到来，量子计算应用会越来越多。“今后，量子计算机硬件将不断发展升级，计算的规模、精度和速度都会不断改进，量子计算应用研究将成为常态。”

目前，魏世杰、龙桂鲁等人正在把全量子本征求解器用常见的量子计算语言进行编程，期望将FQE嵌入到量子编程语言中，以整合成一个可以实现从输入化学分子信息到量子处理器计算，并将计算结果反馈给操作者的一体化通用量子计算平台。（中国科学报记者 郑金武）

转自 中国科学报2020年5月21日第三版

2020-05-23