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          量子計算首次模擬化學反應,這有什么了不起?
          發布時間:2020-09-23     作者:龍浩(電子科學與技術博士)   來源:科普中國   分享到:

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          速度快,不是量子計算的唯一優勢。它能做完全不同的事。|Google

          說到量子計算,我們首先想到的是,它很快。但其實,它的優勢不止于此。因為更接近于事物本源,它可以做到經典計算完全不能做到的事,比如:模擬真正的微觀物理、化學過程。畢竟我們所見的世界,除了引力,都被量子力學所統治。

          去年,美國谷歌公司率先實現“量子優越性”,使用新型量子處理器運算200秒,相當于目前最強計算機運算1萬年。雖然被批浮夸,論文也被撤稿。但最近,他們又利用同款量子處理器,在前所未有的水平上完成了一項化學過程的模擬。這一次,打開了量子計算機應用的大門。研究發表在《科學》雜志。

          那么,這項工作有什么了不起?量子處理器到底是如何工作的?它為什么能遠超經典計算機?其發展還面臨哪些問題呢?

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          論文主角,谷歌研制的54位Sycamore量子計算機 | Rocco Ceselin

          量子計算機 VS 經典計算機

          回想經典計算機,出現不過70余年,其間,得益于半導體工藝的進步,它的體積越來越小,性能越來越強大,面向未來問題的超級計算機,算力已達到半E級(E級:每秒百億億次計算)。

          計算機芯片由大量晶體管組成。晶體管是計算機處理數據的最基本單元,它就像開關,可以阻攔或允許電流通過,這就產生了一個二進制的信息單元,人們稱它為比特(Bit)。若干晶體管組成邏輯單元,實現與、或、非等簡單的邏輯運算;大量邏輯單元組合在一起,最終實現了計算機強大的運算能力。

          人們一直試圖減小晶體管的尺寸,以提高算力并減小功耗。然而,當晶體管已經小到納米量級,需要解決的已不僅僅是工藝制程難題,還需要關注微觀尺度下特殊的物理效應:

          當晶體管僅有數個原子大小時,電子可能無視阻礙直接通過一個已經關閉的晶體管。這個令人匪夷所思的現象被稱為量子隧穿效應。宏觀上,嶗山道士的穿墻術被傳為笑談;而微觀里,電子穿“墻”卻被大量研究所證實,并且它的影響隨著尺寸的減小而愈發顯著。

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          量子隧穿效應 | Techexplorist.com

          面對這樣的物理極限,經典計算機性能遭遇瓶頸是遲早之事,另辟蹊徑成為必需的考量。量子計算概念的提出,讓人們看到了希望。

          在經典計算機中,某時刻一個經典比特根據電平高低,要么對應0,要么對應1,它只能處于一種狀態。而在量子計算機中,一個量子比特(Qubit)則是處于0和1以某種方式進行歸一化線性組合起來的特殊狀態,這種狀態被稱為量子疊加態。就像薛定諤的貓:生活經驗告訴我們,盒子中的貓要么是死的,要么是活的,只是我們沒有打開盒子觀察而已;而量子力學卻認為,盒子中的貓是處于死和活的疊加態——一種超越生活經驗的既死又活的特殊狀態。直到我們打開盒子觀察的那一刻,這種疊加態才發生改變,演變成了死或活中的一種狀態。

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          薛定諤的貓 | Pixabay.com

          正是這種違背直覺的量子疊加態,帶來了計算方式的極大變革。

          對于經典計算機中的經典比特,在任意時刻,它要么是0,要么是1,只能處于這兩種狀態中的一種;而量子比特則不同,由于量子疊加態的存在,每位量子比特可以同時工作于2種狀態。因此,拓展到N位計算機,量子比特可以同時工作在2×2×…×2=2^N種狀態,而經典比特仍然只有唯一1種狀態。所以,1臺N位量子計算機和2^N臺N位經典計算機的計算能力相當,這就是并行計算的力量。并且,隨著量子比特位數的增加,量子計算機算力還會呈現指數增長。300位量子比特可以處理的信息量(2^300)就已經超越了目前宇宙中已知的原子總數。

          這對一些特定領域,將帶來壓倒性優勢。因為它可以同時計算所有的可能性,并通過一次觀測直接得到最可能的結果。

          于是,在龐大的數據庫中檢索時,經典計算機需要遍歷所有可能的匹配才能找到結果,而采用量子計算機,所有可能性被同時(并行)計算,檢索時間將巨幅縮減。此外,量子計算機還可以輕松破解當前看似十分穩固的加密算法,到那時,銀行、通信和比特幣等行業將不得不升級加密方式以應對全新的信息安全挑戰。

          量子計算機應用獲里程碑式突破

          當然,它的優勢不只于此。量子計算機特殊的計算原理,使它能以更接近事物本源的方式模擬復雜的化學過程。物理學家費曼說,理論化學的最終歸宿是在量子力學中。事實上,我們所見的世界,除了引力,都遵守量子力學法則。薛定諤方程是量子力學的一個基本方程,也是化學分子遵循的基本規律。

          雖然人們已經知道這些規律,但精確預測化學反應仍然是相當困難的,就像我們知道了弈棋規則,也很難成為象棋高手一樣。當化學分子里的原子數量增加,解方程的運算量將呈指數級增長;特別是在化學反應過程中,系統的精確電子結構會更加復雜。雖然許多近似和簡化算法已經被提出,但基于經典計算機的數值計算方法,始終難以勝任如此艱巨的任務。

          而量子計算機,則可以直接模擬量子化學現象,因為它們本質上都是遵循同樣的量子力學原理。于是人們提出了量子算法,理論上大幅降低了運算難度。算法就緒,只差量子計算機了。

          2019年,谷歌宣布其研發的Sycamore量子處理器實現“量子優越性”,在約200秒內完成經典計算機約1萬年才能完成的計算量(雖然被IBM糾正說實際只要2.5天)。而就在前不久,也是同一款Sycamore量子處理器,他們用12位量子比特成功模擬了二氮烯分子與氫原子反應形成其他構形的過程,準確描述了其中的氫原子位置變化和相應的氫鏈結合能。量子計算機最值得期待的應用之一——精確電子結構計算終于實現。

          這是人類第一次使用量子計算機預測化學反應機理,為量子計算向應用領域邁出具有里程碑意義的重要一步。

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          Sycamore量子處理器 | Ai.googleblog.com

          可以想象,隨著量子比特位數的增加和量子算法的進一步優化,量子計算機將可能以更高的效率模擬更復雜的化學反應,進而以更短的周期開發新的化學物質。這在一些特殊時期顯得尤為重要,例如為應對COVID-19病毒的新藥研發。

          藥物研發是一個非常復雜和耗時的過程,而在分秒必爭的疫情發展背景下,時間尤為珍貴。人們早已經將傳統的藥物實驗篩選轉移到了高性能計算機上。今年疫情期間,阿里巴巴、百度等公司向全球科研機構開放高性能計算集群算力,幫助縮短研發周期。如果采用量子計算機,可以預見研發過程將大幅加速。

          量子計算機:雖然強大,但異常脆弱

          量子計算機的應用前景看似一片大好,然而它卻是異常脆弱。量子疊加態稍被擾動,量子比特就可能發生一種被稱為退相干的現象,退回到經典比特。正如薛定諤的貓,當打開盒子觀察,貓的生死疊加態發生了退相干,貓的狀態就由疊加態,變成了死或者生,二者只得其一。

          觀察的力量這么強大?看一眼就能引起貓的狀態變化?確實,對于量子來講,觀察的破壞力就是這么強。但需要明確的是,物理學中的“觀察”和我們通常所理解的“觀察”不盡相同。物理學中,一切觀察皆是擾動,我們之所以看到物體,是因為有光照射在物體上,光子和物體作用后,反射光進入人眼而引起視覺。這個過程中,光子對被觀察的物體產生了擾動。而我們生存的地球,時時處處都處于一些擾動當中,比如來自于自然環境中的微弱輻射。

          這使得學界對量子計算機的發展前景表示擔憂。幾天前,美國麻省理工學院(MIT)和美國太平洋西北國家實驗室(PNNL)在《自然》上發表的一項研究就表明,來自建筑混凝土材料中的微量元素和宇宙射線發出的低強度無害背景輻射,足以導致量子比特退相干。

          環境背景輻射其實一直在我們周圍,穿透力極強,難以消除。它通常不會引起我們的注意,但量子比特遭遇它們時,則會發生退相干。此時,量子比特的完整性無法保證,量子計算能維持的時間也將大幅縮短,這會嚴重影響量子計算機性能。

          該研究也驗證了有效屏蔽輻射是提高量子計算機性能的重要途徑,例如將量子計算機轉入地下,或者在地面建立有效減輕輻射的設施,或者重新設計量子比特以鈍化它們對某些擾動的敏感程度。此外,還可以通過優化算法、改進糾錯機制等方法從軟件層面減少環境輻射帶來的影響。

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          美國太平洋西北國家實驗室的地下超低輻射探測裝置 | AndreaStarr, PNNL

          當人們使用算盤時,無法想象日夜不停撥弄算盤百年,也不過如今一顆小小芯片一秒的計算量;當我們正在使用手機或者電腦翻看這篇文章時,也難以想象量子計算機的驚人算力在未來會對人類社會產生怎樣翻天覆地的影響。正如加拿大量子物理學家希尼·高斯(Shohini Ghose)在TED演講中所說,“你不能通過制造越來越好的蠟燭來制造燈泡。燈泡是一種基于更深入科學理解的不同技術。”量子計算機之于經典計算機也是如此。

          伴隨著希望、困難、挑戰和隱憂,我們期待手提箱中的量子計算機,有一天可以演算出整個宇宙。

          參考文獻:

          Google AI Quantum and Collaborators, Hartree-Fockon a superconducting qubit quantum computer, Science, 369(6507): 1084-1089,2020.

          Antti P. Veps?l?inen, Amir H. Karamlou, John L.Orrell, et al., Impact of ionizing radiation on superconducting qubitcoherence, Nature, 584: 551-556, 2020.

          Shohini Ghose, Quantum computing explained in 10minutes, TED, 2018.

          http://immersiveleaks.com/quantum-computing/

          https://www.geeksforgeeks.org/conventional-computing-vs-quantum-computing/

          https://www.newscientist.com/article/2253089-google-performed-the-first-quantum-simulation-of-a-chemical-reaction/

          https://news.mit.edu/2020/cosmic-rays-limit-quantum-computing-0826

          文章由“十點科學”(ID:Science_10)公眾號發布,轉載請注明出處。

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