Science封面：Google實現量子化學模擬，迄今為止全球首例！
量子計算發現了新大陸！
8月27日，Google量子計算研究團隊宣佈其使用量子計算機對化學反應路徑進行建模取得了突破性進展，這是迄今為止首次，也是最大規模的化學量子計算。
其發表的題為《超導量子比特量子計算機的 Hartree-Fock 近似模擬》（Hartree-Fock on a Superconducting Qubit Quantum Computer）的成果論文，當天便登上了《自然》雜誌封面。
量子計算模擬化學反應
值得一提的是，這已經是Google第二次因量子研究登上《自然》雜誌封面了。
第一次是在去年10月，Google重磅發佈量子優越性研究成果。在這篇的論文中，Google用54個量子比特的數組達到了量子優越性，並在200秒內完成了規定操作，與此相同的運算在當時世界最大的超算summit上也需要10000年才能完成。
可以説，此項研究在量子計算的歷史上將具有劃時代的意義。
而在這項研究中發揮關鍵作用的Sycamore 處理器，也正是本次化學實驗中量子計算機所使用的處理器。
Sycamore 處理器
之所以採用量子計算機模擬，是由於原子和分子受量子力學系統控制，可以通過量子位來存儲信息並執行計算，因此有望成為精確模擬的最佳方法。
具體而言，研究人員使用了噪聲魯棒的變分量子特徵求解算法VQE（variational quantum eigensolver）直接模擬了化學機制。
在反應中，兩個氮原子和兩個氫原子組成了二氮烯分子。其過程是，氫原子在氮原子周圍不斷移動形成了不同的結構。經過檢測發現，量子模擬與傳統計算機上執行的模擬結果基本吻合，由此可以確定量子模擬的有效性。
除此之外，整個Hartree-Fock運算方程近似於一個真實化學系統，它是量子計算機上傳統化學計算的兩倍，並且包含了十倍的量子門操作。
雖然氮氫反應是較為基礎的化學反應，甚至不需要配備量子計算機來模擬就可以輕鬆得出結果，但研究人員Babbush介紹，此項研究驗證了當前量子計算機開發的算法可以達到實驗預測所需的精度，開拓了一條通往量子化學系統逼真的模擬路徑。
接下來，他們會將量子模擬的算法擴大到更復雜更大分子的化學反應中，而這會非常容易，只需要更多的量子位和較小的算法調整即可。他強調稱，
未來我們甚至可以使用量子模擬來開發新的化學物質。
VQE算法減少量子誤差
使用量子計算機模擬分子系統的基態能量存在很多方法，而在本次研究中，研究人員專注於量子算法“構件塊”（building block）或電路元圖，並通過VQE完善其性能。
在傳統設置中，該電路元圖等效於Hartree-Fock模型，是優化版化學模擬算法的重要電路組件。該組件的魯棒誤差抑制對於精確模擬至關重要。
量子計算中的誤差是由於量子電路與環境的相互作用而產生的（即使很小的温差也可能導致量子比特誤差）。
而無論是在量子比特還是其他方面產生的誤差，在模擬化學反應時，量子算法必須以較低的成本解決掉這些誤差。就像實現量子糾錯碼。
解決誤差最流行的方法是使用VQE。實驗中，研究人員選用了幾年前開發的VQE，它將量子處理器看作神經網絡，可以通過最小化成本函數來優化量子電路的參數，並解決嘈雜的量子邏輯。
簡言之，就像傳統神經網絡可以通過優化容忍數據中的缺陷一樣，VQE可以通過動態調整量子電路參數解決量子計算過程中產生的誤差。
Sycamore處理器實現高精度
如上文所説，本次研究的量子計算機採用的是Sycamore處理器。
本次化學模擬實驗需要更少的量子比特，但是需要更高的量子門保真度來解決化學鍵問題。這導致了新的，有針對性的校準技術的發展，該技術可以最佳地放大誤差，從而便於對其進行診斷和糾正。
10個量子比特上模擬Hartree-Fock對分子幾何形狀的能量預測
其誤差成因可能來源於量子硬件堆棧中。
Sycamore具有54比特，由140多個單獨可調的元件組成，每個元件都由高速模擬電脈衝控制。要實現對整個設備的精確控制，需要對2000多個控制參數進行微調，即使這些參數中的微小誤差也可以迅速擴大總計算中的誤差。
為了準確地控制設備，研究人員使用了自動化的框架，該框架將控制問題映射到具有數千個節點的圖形上，每個節點代表一個物理實驗以確定一個未知參數。遍歷此圖可從設備的先驗知識轉移到高保真量子處理器，並且可以在不到一天時間內完成。
最終，這些技術與算法誤差緩解技術一起減少了錯誤數量級。如下圖：
上圖為氫原子線性鏈的能量隨着每個原子之間的鍵距增加而增加。 其中，實線是使用經典計算機進行的Hartree-Fock模擬，而點是使用Sycamore處理器進行計算的。
上圖為使用Sycamore計算的每個點的兩個準確性度量（失真和平均絕對誤差）。 “Raw”是來自Sycamore的原始誤差。 “ + PS”是來自校正電子數量的一種誤差。 “ +Puriflication”是一種針對正確狀態緩解誤差的措施。 “ + VQE”是消除所有誤差後的優化結果。
開啟化學計算藍圖
Google首席執行官桑達爾·皮猜（Sundar Pichai）第一時間在Titter上表達了自己喜悦的心情，他稱，
此次在量子化學領域的最新成果是迄今為止最大的化學量子計算，也是第一次使用量子計算機對化學反應路徑進行建模。
電子能量的量子計算可以打破困擾多粒子量子力學的維數詛咒，換句話説，通用量子計算機具有從根本上改變計算化學和材料科學的潛力，但在這些領域中，強電子相關性對傳統電子結構方法帶來了阻礙。
而本次研究利用Sycamore處理器、VQE模型以及誤差緩解策略為量子化學系統開闢了一條新的路徑。通過對多達12個量子比特的仿真測試，確保了化學反應精度，同時為擴展到更大更復雜的化學系統提供了可能性。
研究團隊表示，本次實驗可以成為量子處理器實現化學計算的藍圖，以及物理模擬優勢的起點。更重要的是，未來已知如何以一種簡單的方式修改本實驗中使用的量子電路，使得它們不再有效地可仿真，這將為改進的量子算法和應用確定新的方向。雷鋒網(公眾號：雷鋒網)雷鋒網雷鋒網
引用鏈接：
論文：https://arxiv.org/pdf/2004.04174.pdf
代碼：https://github.com/quantumlib/ReCirq/tree/master/recirq/hfvqe
https://science.sciencemag.org/content/369/6507/1084
https://ai.googleblog.com/2020/08/scaling-up-fundamental-quantum.html
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資料來源：雷鋒網
作者/編輯：貝爽
8月27日，Google量子計算研究團隊宣佈其使用量子計算機對化學反應路徑進行建模取得了突破性進展，這是迄今為止首次，也是最大規模的化學量子計算。
其發表的題為《超導量子比特量子計算機的 Hartree-Fock 近似模擬》（Hartree-Fock on a Superconducting Qubit Quantum Computer）的成果論文，當天便登上了《自然》雜誌封面。
量子計算模擬化學反應
值得一提的是，這已經是Google第二次因量子研究登上《自然》雜誌封面了。
第一次是在去年10月，Google重磅發佈量子優越性研究成果。在這篇的論文中，Google用54個量子比特的數組達到了量子優越性，並在200秒內完成了規定操作，與此相同的運算在當時世界最大的超算summit上也需要10000年才能完成。
可以説，此項研究在量子計算的歷史上將具有劃時代的意義。
而在這項研究中發揮關鍵作用的Sycamore 處理器，也正是本次化學實驗中量子計算機所使用的處理器。
Sycamore 處理器
之所以採用量子計算機模擬，是由於原子和分子受量子力學系統控制，可以通過量子位來存儲信息並執行計算，因此有望成為精確模擬的最佳方法。
具體而言，研究人員使用了噪聲魯棒的變分量子特徵求解算法VQE（variational quantum eigensolver）直接模擬了化學機制。
在反應中，兩個氮原子和兩個氫原子組成了二氮烯分子。其過程是，氫原子在氮原子周圍不斷移動形成了不同的結構。經過檢測發現，量子模擬與傳統計算機上執行的模擬結果基本吻合，由此可以確定量子模擬的有效性。
除此之外，整個Hartree-Fock運算方程近似於一個真實化學系統，它是量子計算機上傳統化學計算的兩倍，並且包含了十倍的量子門操作。
雖然氮氫反應是較為基礎的化學反應，甚至不需要配備量子計算機來模擬就可以輕鬆得出結果，但研究人員Babbush介紹，此項研究驗證了當前量子計算機開發的算法可以達到實驗預測所需的精度，開拓了一條通往量子化學系統逼真的模擬路徑。
接下來，他們會將量子模擬的算法擴大到更復雜更大分子的化學反應中，而這會非常容易，只需要更多的量子位和較小的算法調整即可。他強調稱，
未來我們甚至可以使用量子模擬來開發新的化學物質。
VQE算法減少量子誤差
使用量子計算機模擬分子系統的基態能量存在很多方法，而在本次研究中，研究人員專注於量子算法“構件塊”（building block）或電路元圖，並通過VQE完善其性能。
在傳統設置中，該電路元圖等效於Hartree-Fock模型，是優化版化學模擬算法的重要電路組件。該組件的魯棒誤差抑制對於精確模擬至關重要。
量子計算中的誤差是由於量子電路與環境的相互作用而產生的（即使很小的温差也可能導致量子比特誤差）。
而無論是在量子比特還是其他方面產生的誤差，在模擬化學反應時，量子算法必須以較低的成本解決掉這些誤差。就像實現量子糾錯碼。
解決誤差最流行的方法是使用VQE。實驗中，研究人員選用了幾年前開發的VQE，它將量子處理器看作神經網絡，可以通過最小化成本函數來優化量子電路的參數，並解決嘈雜的量子邏輯。
簡言之，就像傳統神經網絡可以通過優化容忍數據中的缺陷一樣，VQE可以通過動態調整量子電路參數解決量子計算過程中產生的誤差。
Sycamore處理器實現高精度
如上文所説，本次研究的量子計算機採用的是Sycamore處理器。
本次化學模擬實驗需要更少的量子比特，但是需要更高的量子門保真度來解決化學鍵問題。這導致了新的，有針對性的校準技術的發展，該技術可以最佳地放大誤差，從而便於對其進行診斷和糾正。
10個量子比特上模擬Hartree-Fock對分子幾何形狀的能量預測
其誤差成因可能來源於量子硬件堆棧中。
Sycamore具有54比特，由140多個單獨可調的元件組成，每個元件都由高速模擬電脈衝控制。要實現對整個設備的精確控制，需要對2000多個控制參數進行微調，即使這些參數中的微小誤差也可以迅速擴大總計算中的誤差。
為了準確地控制設備，研究人員使用了自動化的框架，該框架將控制問題映射到具有數千個節點的圖形上，每個節點代表一個物理實驗以確定一個未知參數。遍歷此圖可從設備的先驗知識轉移到高保真量子處理器，並且可以在不到一天時間內完成。
最終，這些技術與算法誤差緩解技術一起減少了錯誤數量級。如下圖：
上圖為氫原子線性鏈的能量隨着每個原子之間的鍵距增加而增加。 其中，實線是使用經典計算機進行的Hartree-Fock模擬，而點是使用Sycamore處理器進行計算的。
上圖為使用Sycamore計算的每個點的兩個準確性度量（失真和平均絕對誤差）。 “Raw”是來自Sycamore的原始誤差。 “ + PS”是來自校正電子數量的一種誤差。 “ +Puriflication”是一種針對正確狀態緩解誤差的措施。 “ + VQE”是消除所有誤差後的優化結果。
開啟化學計算藍圖
Google首席執行官桑達爾·皮猜（Sundar Pichai）第一時間在Titter上表達了自己喜悦的心情，他稱，
此次在量子化學領域的最新成果是迄今為止最大的化學量子計算，也是第一次使用量子計算機對化學反應路徑進行建模。
電子能量的量子計算可以打破困擾多粒子量子力學的維數詛咒，換句話説，通用量子計算機具有從根本上改變計算化學和材料科學的潛力，但在這些領域中，強電子相關性對傳統電子結構方法帶來了阻礙。
而本次研究利用Sycamore處理器、VQE模型以及誤差緩解策略為量子化學系統開闢了一條新的路徑。通過對多達12個量子比特的仿真測試，確保了化學反應精度，同時為擴展到更大更復雜的化學系統提供了可能性。
研究團隊表示，本次實驗可以成為量子處理器實現化學計算的藍圖，以及物理模擬優勢的起點。更重要的是，未來已知如何以一種簡單的方式修改本實驗中使用的量子電路，使得它們不再有效地可仿真，這將為改進的量子算法和應用確定新的方向。雷鋒網(公眾號：雷鋒網)雷鋒網雷鋒網
引用鏈接：
論文：https://arxiv.org/pdf/2004.04174.pdf
代碼：https://github.com/quantumlib/ReCirq/tree/master/recirq/hfvqe
https://science.sciencemag.org/content/369/6507/1084
https://ai.googleblog.com/2020/08/scaling-up-fundamental-quantum.html
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資料來源：雷鋒網
作者/編輯：貝爽