長期以來，人們對(duì)量子信息技術(shù)應(yīng)用的關(guān)注一直集中在數(shù)據(jù)傳輸和加密等領(lǐng)域。新研究將目光轉(zhuǎn)向化學(xué)領(lǐng)域，使量子系統(tǒng)有望助力開發(fā)新藥和新材料等。研究人員最近使用量子計(jì)算機(jī)對(duì)簡單分子進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)新材料的“量子飛躍”，成為量子計(jì)算商用化的開始。
美國《麻省理工科技評(píng)論》日前將“材料的量子飛躍”列入２０１８全球十大突破性技術(shù)。
量子計(jì)算助力分子建模
美國國際商用機(jī)器公司（ＩＢＭ）率先取得突破，采用７量子比特的量子計(jì)算機(jī)對(duì)小分子的電子結(jié)構(gòu)成功進(jìn)行仿真計(jì)算，相關(guān)成果發(fā)表在英國《自然》雜志上。借助該技術(shù)，科學(xué)家能了解分子的各個(gè)方面信息，開發(fā)出更有效藥物和能源效率更高的新材料。
量子計(jì)算機(jī)如何帶來材料的“量子飛躍”？首先，從量子計(jì)算基本原理看，量子計(jì)算機(jī)與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)最大區(qū)別是運(yùn)算方式：傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的計(jì)算單位是比特，只能處于０或１的二進(jìn)制狀態(tài)；而量子計(jì)算機(jī)則將信息存儲(chǔ)在量子比特中，量子比特以０和１的疊加態(tài)存在，并可使用量子糾纏和量子疊加等獨(dú)特的量子效應(yīng)進(jìn)行信息處理，極大提高計(jì)算效率。
具體在材料研發(fā)領(lǐng)域，最大挑戰(zhàn)是在分子建模中計(jì)算化合物的基本能態(tài)，即必須模擬出每個(gè)原子內(nèi)電子與其他原子的相互作用，這種相互作用遵循量子力學(xué)原理。用傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)模擬這些分子結(jié)構(gòu)要消耗大量能量，且隨著分子內(nèi)原子數(shù)增加，模擬愈加困難。相反，量子計(jì)算機(jī)在模擬這些具有量子特性的分子結(jié)構(gòu)方面有天然優(yōu)勢(shì)。
ＩＢＭ研究團(tuán)隊(duì)采用全新算法，利用特定金屬超導(dǎo)體制作的量子計(jì)算機(jī)計(jì)算出氫化鋰、氫氣和氫化鈹?shù)淖畹湍軕B(tài)，并模擬出這３種分子。氫化鈹是迄今在量子系統(tǒng)中模擬的最復(fù)雜分子，創(chuàng)造了量子系統(tǒng)模擬新紀(jì)錄。此外，ＩＢＭ還通過云服務(wù)公開其１６個(gè)量子位計(jì)算機(jī)和各種量子化學(xué)算法，呼吁化學(xué)家利用這些工具進(jìn)行模擬分子的研究。
全球各大科技巨頭爭相在材料研發(fā)領(lǐng)域試水量子計(jì)算。谷歌和大眾汽車合作，利用量子計(jì)算模擬和優(yōu)化開發(fā)電動(dòng)汽車所用的高性能電池結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造更智能的汽車和更好的基礎(chǔ)設(shè)施。
谷歌還在線免費(fèi)開放開源量子計(jì)算軟件ＯｐｅｎＦｅｒｍｉｏｎ，化學(xué)家和材料學(xué)家可利用谷歌軟件改編算法和方程，從而讓化學(xué)模擬能在量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)算。這款軟件包含一個(gè)算法庫，能在量子計(jì)算機(jī)上模擬電子的相互作用，幫助科學(xué)家將化學(xué)分子模擬實(shí)驗(yàn)和材料描述為量子計(jì)算機(jī)可以理解的編程方式，節(jié)約大量時(shí)間。
中國科技企業(yè)奮勇爭先
材料的“量子飛躍”讓人看到了量子計(jì)算更加貼近生活的應(yīng)用場景。目前，中國的量子計(jì)算理論和應(yīng)用研究方興未艾，但與國外尚有差距。領(lǐng)跑全球量子計(jì)算領(lǐng)域的是ＩＢＭ、谷歌等科技公司，而中國量子計(jì)算還停留在高校實(shí)驗(yàn)室研究階段，企業(yè)的商業(yè)化應(yīng)用尚不成熟。
中國科學(xué)院物理所研究員、北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室首席科學(xué)家丁洪此前接受媒體采訪時(shí)說，量子通信和量子計(jì)算是量子信息技術(shù)的兩個(gè)重要方面，雖然中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)的工作讓中國在量子通信方面走到了世界最前列，但在量子計(jì)算這個(gè)更廣闊的領(lǐng)域，中國與美國仍有差距。
不過，中國科技公司已開始在這方面大力布局，阿里、騰訊、百度先后成立了量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室，力求在該領(lǐng)域搶占賽道。據(jù)悉，目前相關(guān)實(shí)驗(yàn)室均處在“招兵買馬”階段，對(duì)量子信息技術(shù)、物理、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域人才的需求十分迫切。
阿里云量子技術(shù)首席科學(xué)家施堯耘接受記者采訪時(shí)說，阿里正計(jì)劃在北京建立量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)，重點(diǎn)研究利用量子算法開發(fā)新材料和藥物?，F(xiàn)在量子計(jì)算在開發(fā)新材料方面的應(yīng)用仍處在早期階段，但有望在５年內(nèi)成熟。
施堯耘認(rèn)為，目前量子計(jì)算在美國已進(jìn)入市場最佳調(diào)配資源期。不光幾個(gè)大公司有重大投入，資本市場也已進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域，締造了多個(gè)創(chuàng)業(yè)公司。對(duì)技術(shù)進(jìn)步的純粹追求、效率至上的觀念以及良好待遇等因素，使企業(yè)對(duì)人才有巨大吸引力，也使得企業(yè)成為美國“量子國家隊(duì)”的主力軍。
“中國發(fā)展量子計(jì)算可以借鑒之處在于：加速大批量、高質(zhì)量的人才培養(yǎng)，鼓勵(lì)人才自由流動(dòng)，支持和激勵(lì)企業(yè)進(jìn)入，鼓勵(lì)國際化。”施堯耘說。（記者彭茜）
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