用量子计算机研发新型材料？量子嵌入理论铺平了道路

量子计算机被视为未来技术之一，它所能够处理的数据量将远远超出当今超级计算机的能力。虽然这项技术仍处于初级阶段，但已经有初步成品出炉，在解决材料科学和化学复杂问题中，表现出了有限的适用性，比如用来模拟少数原子的性质，以研究新材料。

在过去的30年里，量子力学理论在预测与量子信息科学相关材料和能源应用材料(包括催化剂和储能系统)、性能方面发挥了重要作用。然而，这些方法在计算上要求很高，将其应用于复杂、非均匀材料仍然充满挑战。

而今，美国能源部阿贡国家实验室和芝加哥大学的科学家们开发了一种方法，为使用量子计算机模拟真实分子和复杂材料铺平了道路。这类研究往往涉及到数百个原子，这在过去是量子计算机无法完成的。

研究人员称，这种新开发的计算方法，大大提高了现有量子力学方法在计算晶体材料特定缺陷方面所能达到的精度，而且他们已经在量子计算机上将之实现。

在研究中，研究人员开发了一种量子嵌入理论，它允许通过耦合量子和经典计算硬件来模拟固体中的‘自旋缺陷’。这类缺陷相关的问题在量子信息处理和纳米尺度传感应用材料的开发方面广泛存在，但要解决它则远远超出了目前的能力。

该团队首先在经典计算机上测试了量子嵌入方法，并将其应用于金刚石和碳化硅中自旋缺陷的性质计算当中。由于过去的研究已经对这个问题进行了广泛的研究，因此研究团队有大量的实验数据可以用于验证新方法的有效性吗，而结果和理论良好的一致性使研究小组相信，新方法是可靠的。

随后，研究小组在量子模拟器上实现同样的计算结果，最后在IBM Q5约克敦量子计算机上完成了测试。这些结果都证实了量子嵌入方法的高精度和有效性，为在量子计算机上解决多种材料科学问题奠定了基础。

近年来，量子计算在硬件方面已经取得了长足的进步。

2018年11月，IBM制造出世界首台可在实验室外运行量子计算机——System One量子计算机，它不需要连接到实验室内部的巨大冷却系统。这台机器位于IBM位于纽约约克敦高地的办公室。这台机器代表着量子计算成为商业现实的一大步，在此之前，IBM已经在计算概念上苦干了几十年。

去年10月23日，谷歌公司研究人员在《自然》杂志发表论文称，已成功演示了“量子霸权”。实验中，量子处理器在约200秒的时间内从量子电路中采集了100万个样本，而一台尖端的超级计算机要约1万年才能完成这项任务。

近日，德国联邦教研部长卡利切克表示，德国将于2021年拥有首台量子计算机，这也是欧洲首台量子计算机。卡利切克说，这将是一台实验性的计算机，但在5到10年后，相关新技术可以应用在工业领域。

据咨询公司德勤(Deloitte)的预测，到2020年，量子计算机上的支出将达到数亿美元，到2030年代将达到数百亿美元。中国、欧洲、美国和日本已将数十亿美元投入到投资计划中。福特和微软表示，适用于传统计算机的量子计算机的流量仿真技术已经显示出实用性。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

参考资料：

[1]https://www.sciencedaily.com/releases/2020/07/200728155459.htm

[2]https://www.nature.com/articles/s41524-020-00353-z

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