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中國學者為量子計算機開發可兼容“應用軟件”

时间:2020年05月21日 14:24  稿件来源:中國科學報


資料圖。圖源:新華社

  近年來,如何推動量子計算機開展有實際價值的計算,成為科研界的重點任務。近日,北京量子信息科學研究院博士魏世傑、清華大學博士李行與清華大學物理系教授龍桂魯合作,開發了一款量子計算機“應用軟件”,使量子計算機能夠計算分子基態能級和對應的電子結構。相關成果不久前發表在《研究》雜志。

  挖掘量子計算機的實用價值

  2016年,IBM推出了5個比特的量子雲計算平台;2019年,谷歌開發出53個比特的量子計算機,並用200秒演示了一個隨機分布的計算,這展現了量子計算機超越現今世界上已有計算機算力的潛能。龍桂魯在接受《中國科學報》采訪時表示,這一里程碑事件預示著,有噪中規量子計算時代的到來。

  所謂有噪中規量子計算,是指利用具有幾十到幾千個量子比特的中等規模的量子計算機,帶著“噪聲”進行的計算,計算過程中尚無法進行糾錯。“雖然它們‘帶病’工作,但是仍然能展現超越現有電子計算機的驚人算力。”龍桂魯說。

  利用有噪量子計算機解決實際問題,成為業界的研究熱點,並正逐步成為現實。已有研究發現,應用於材料合成、生物制藥的量子化學模擬,是近期最有可能在應用層面實現量子優勢的領域。

  “應用軟件”可兼容

  龍桂魯表示,構造有效的量子算法,是完成高效量子模擬的關鍵所在。

  在研究中,龍桂魯等人開發了全量子本征求解器(FQE),這相當於為量子計算機開發了一款特殊的“應用軟件”。FQE安裝在量子計算機上,可以計算分子基態能級和對應的電子結構。

  FQE采用量子化的梯度下降算法。龍桂魯等人把二次量子化的費米哈密頓量映射到希爾伯特空間的比特形式哈密頓量,應用量子梯度下降算法求得哈密頓量的基態能量和基態波函數。

  “具體而言,在一個量子計算系統中,首先設定一個合適的量子初態,通過量子算法給出量子線路實現對應的動力學演化,通過叠代收斂到基態,最後測量量子態並得到需要的信息。”龍桂魯解釋說。

  尋找最穩定結構在量子化學中是非常困難的,需要大量的計算,但這樣的挑戰對量子計算機來說,卻是“拿手好戲”。龍桂魯表示,FQE可以進行量子化學計算,通過變化分子中原子間的距離,找到能量最低狀態,得到分子的最穩定結構。

  而最引人關註的,是FQE具有很好的兼容性。“不僅可以在IBM和谷歌等開發的有噪量子計算機上工作,還可以在未來的大型容錯量子計算機上工作。”龍桂魯說。

  擁抱有噪量子計算

  區別於其他本征求解器需要在量子計算機和經典計算機之間不停轉換,FQE的全部計算都在量子計算機上完成。之所以能實現這樣的突破,是因為FQE采用了龍桂魯在2002年提出的酉算子線性組合(LCU)。

  此前,科研人員提出的量子計算模型中,只允許酉算子進行乘除運算。龍桂魯提出的酉算子線性組合則突破了這種限制,酉算子不僅可以進行乘除運算,還可進行加減運算。

  這一突破,為量子算法設計提供了新的途徑。目前,該方法還被國外研究團隊采用,以酉算子線性組合作為量子計算機的體系結構,研制出國際上首個通用集成光量子計算芯片。

  龍桂魯表示,隨著有噪量子計算時代的到來,量子計算應用會越來越多。“今後,量子計算機硬件將不斷發展升級,計算的規模、精度和速度都會不斷改進,量子計算應用研究將成為常態。”

  目前,魏世傑、龍桂魯等人正在把全量子本征求解器用常見的量子計算語言進行編程,期望將FQE嵌入到量子編程語言中,以整合成一個可以實現從輸入化學分子信息到量子處理器計算,並將計算結果反饋給操作者的一體化通用量子計算平台。

  相關論文信息:https://doi.org/10.34133/2020/1486935

  (原標題:為量子計算機開發“應用軟件”)

【編輯:马华

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