■本报记者 许琦敏
      
       最近，中国科学技术大学超导量子团队与北京大学理论团队合作的一项研究，实现了对氢气、锂氢化物和氟气等分子的基态能量近似求解，并在氢气和锂氢化物分子上达到了化学精度。随着科技的不断发展，结合量子计算机进行化学问题的求解正逐渐成为解决计算化学瓶颈的一种潜在方法。这项研究展示了在含噪声的中等规模超导量子处理器上实现高效可靠的量子计算化学解决方案的可能性。相关论文新近发表在国际学术权威期刊《自然—物理学》上。
      
       计算化学遭遇算力瓶颈
      
       作为一门古老的科学，化学帮助人类逐步了解原子与分子是如何构建物质世界的。随着量子力学的出现，人们对微观粒子之间相互作用基本规则的了解不断深入，发展出了通过建立数学物理模型对粒子性质进行计算的计算化学。
      
       可是，当人们想要更深入了解化学反应的过程，却遇到了困难——基本规则应用于真实体系时，方程会变得过于复杂而无法求解。此次实验主要负责人、中国科学技术大学教授龚明解释，以最简单的氢原子为例，由于它只包含一个原子核和一个电子，研究时还可用薛定谔方程精确求解。但随着粒子数量增多，粒子之间相互作用的复杂性就会呈指数级上升，这使得计算量级陡增。因此，在模拟化学体系进行精确模拟求解时，哪怕目前最强超级计算机也难以胜任。
      
       量子计算机的发展为突破计算化学所遭遇的算力瓶颈带来了希望。目前，量子计算机对特定问题的计算能力已实现了对经典超级计算机的超越，也推动了量子计算化学这一新兴领域的快速发展。
      
       “祖冲之号”探路求解基态
      
       求解化学体系的基态是量子计算化学研究中的一个重要问题，即计算出化学体系处于最低能级的状态。
      
       这次，执行计算任务的是超导量子计算机“祖冲之号2.0”。自2020年以来，中国科大已先后研制出性能达到量子优越性里程碑的“九章”“祖冲之号”系列量子计算机。为何选择“祖冲之号”来执行此次任务？龚明解释，这是由于“祖冲之号”系列更适合执行可编程量子线路，更符合这项任务的需求，而且任务对于量子计算机的性能，特别是量子门保真度性能有非常高的要求。
      
       此次实验任务分别计算氢气、锂氢化物和氟气的化学基态。“这三个分子包含的电子数逐渐增加，复杂度逐级提升。”龚明说，量子计算化学主要计算的就是原子核外电子相互作用形成的稳定状态和对应的能量大小，“结果表明，实际实验结果与理论推导较为一致，达到了化学精度”。
      
       在量子化学中，达到化学精度意味着计算结果与实验值已相当接近。龚明介绍，化学精度通常用于评估理论模型和计算方法的有效性。要知道，在化学反应过程中，计算能量误差超过一定数值，在实际室温下反应速率可相差10倍。因此，计算精度达到化学精度，对于目前的量子化学研究至关重要。
      
       量子算力潜力有待深入挖掘
      
       此次实验获得的高质量实验结果，既是对已有理论的检验，又是在含噪声的量子计算机上实验技术的实现，可以说是推动量子计算化学从理论到实验实践的重要进步。
      
       龚明透露，这次实验中，对应三个分子的不同复杂程度，他们分别使用了4个、6个、12个量子比特，量子线路的深度逐步增加，“在当前有限的量子计算机性能限制下，我们也发现了计算精度逐步下降的情况”。
      
       不过，对实验数据的评估结果表明，此次的实验方案是可拓展的。这意味着，未来通过改善各类硬件参数，量子计算化学将有潜力进行更大分子的计算，从而最终超越经典计算机，这将进一步促进材料以及药物的研发。
      
       龚明表示，团队计划从三个方面入手对计算方案进行优化：一是对量子计算机硬件继续进行优化，提升性能；二是对量子—经典混合算法进行优化，寻找更高效的算法，降低资源需求；三是寻找与经典计算机包括人工智能和超级计算机的结合方式，发挥不同计算体系的各自优势。
      
       这项研究为量子计算在化学领域的应用提供了重要的参考依据，也为解决更大规模的复杂化学问题指明了道路。美国理论物理学家约翰·普雷斯基尔教授表示，在量子计算机的帮助下，科学家可以更深入地探究复杂分子和奇异材料的特性，并用新的方法探索基础物理学方面的知识，“我们有理由相信，量子计算机能够有效模拟任何发生在自然界中的过程”。