准确的电子结构计算被认为是量子计算最令人期待的应用之一，它将彻底改变理论化学和其他相关领域。由于量子系统的参数数量和复杂度都随粒子数的增加而指数级增加，因此除了极小的系统以外，所有其他量子化学方程式都无法得到精确解。量子计算机可以利用独特的量子力学特性来处理其经典计算机难以进行的计算，从而可以实现复杂化学过程的模拟。利用Sycamore量子处理器，谷歌AI量子团队开始往这个方向探索。他们对两个中等规模的化学问题进行了变分量子本征求解器（VQE）模拟，分别求解了氢链的结合能（包括H6、H8、H10、H12）和二氮烯的异构化机制，相关研究论文《Hartree-Fock on a superconducting qubit quantum computer》刊登在Science封面上。据Sundar Pichai在推特上介绍，这是有史以来最大规模的量子化学模拟，并且是首次利用量子计算机模拟化学反应。如今的量子计算机足以在某些任务上获得相对于经典计算机的明显优势。2019年10月，谷歌的一项关于量子计算的研究登上了Nature封面。他们用53个量子比特的量子计算机Sycamore实现了量子优越性。论文中指出，他们的量子计算机用3分20秒完成了一项任务，而超级计算机Summit则需要1万年才能完成同样的任务。IBM 的研究者后来发表论文纠正道，在Summit上模拟Sycamore根本不需要1万年，只需要两天半。尽管IBM并没有进行实验，但这一结论也得到了行业专家的认可。不过，3分20秒相对于两天半仍然是巨大的优势。Sycamore量子处理器由54个transmon量子位的二维阵列组成。每个量子比特可调谐地耦合到矩形格子中的四个最近邻量子比特。 谷歌对多达12个量子比特（包括多达72个两比特量子门）的超导量子电路进行了仿真，结果表明，当VQE与错误缓解策略结合使用时，可以实现足够的化学精度。其中，VQE算法的关键构建块有望扩展到经典计算机无法模拟的更大规模系统。2017年9月14日，IBM的一篇论文《Hardware-efficient Variational Quantum Eigensolver for Small Molecules and Quantum Magnets》发表在Nature上。在这项研究中，IBM演示了6量子比特的哈密顿问题的实验优化，确定了分子尺寸不断增加（直至BeH2）的基态能量。谷歌表示，他们只计算了化学系统的Hartree-Fock逼近，但其规模两倍于IBM的量子化学模拟，仅需要最近邻耦合，并且包含了10倍的量子门操作。最后，谷歌还发布了该实验的代码，该代码基于OpenFermion开源库（用于化学量子计算）。Science论文地址：https://science.sciencemag.org/content/369/6507/1084arXiv地址：https://arxiv.org/abs/2004.04174GitHub地址：https://github.com/quantumlib/ReCirq/tree/master/recirq/hfvqe Google的Sycamore处理器安装在低温恒温器中，最近用于证明量子优越性和量子计算机上最大的量子化学模拟。图片来源：Rocco Ceselin 1
Google的Sycamore处理器安装在低温恒温器中，最近用于证明量子优越性和量子计算机上最大的量子化学模拟。图片来源：Rocco Ceselin
图1：基础旋转电路和编译。a）电路图的左边是H12链的初始轨道，原子间距为1.3 A，是通过将哈密顿量对角化而忽略电子-电子相互作用而获得的。电路图描绘了十二个氢原子线性链的基本旋转ansatz。每个具有旋转角度θ的灰色框代表一个Givens旋转门。b）将Givens旋转门编译为√iswap门和单量子比特门，可以直接在硬件中实现。H12电路涉及72个√iswap门和108个单量子比特Z旋转门，总共有36个变分参数。c）在整个54比特Sycamore器件的子网格上描绘十二个量子线。所有电路仅需要执行在线性拓扑中相邻的量子比特对之间的量子门。
图2：在Sycamore处理器的10、12量子比特上，通过Hartree-Fock模型对分子几何形状进行能量预测，展示了VQE在区分二氮烯异构化机制上的性能，异构化指的是二氮烯的顺式（cis）和反式（trans）结构。TS1和TS2分别是氢在平面内和平面外旋转的过渡状态。TS1和TS2上的黄色箭头表示相应的反应坐标。在上图中，实曲线是通过优化10个量子比特问题获得的能量，该问题是通过冻结由两个自洽场周期生成的核心轨道而生成的。相同颜色的透明线是完整的12量子比特系统的能量，表明冻结最低的两个能级不会更改模型化学的特性。谷歌使用VQE在Sycamore上模拟了反应路径上的九个点。