2005年9月12日
美国能源部的研究人员劳伦斯伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校模拟的过程一个量子计算机可以计算精度高的一个重要基本属性两种小分子。模拟量子计算基态能量的水(H2O)和氢化锂(LiH)是第一个这样做的特定分子。
艾伦•Aspuru-Guzik安东尼Dutoi彼得•爱和马丁Head-Gordon报告他们的工作在9月9日出版的《科学》杂志上。欧洲杯线上买球Head-Gordon是伯克利实验室的科学家的化学科学部门,加州大学伯克利分校的化学教授;欧洲杯线上买球Aspuru-Guzik博士后和研究生Dutoi Head-Gordon组。爱是一种高级应用科学家D波系统的员工,公司在温哥华公元前
研究人员开发了一个quantum-computational算法和跑在经典计算机证明量子计算机组成的只有几十或几百的量子位(量子比特)可以计算出重要信息真正的分子系统精度高。这样一个相对较小的量子计算机可能会超过最强大的量子化学计算与今天的古典超级计算机。
“我们所做的是展示——通过使用量子算法确定的最低能量状态两个真正的分子,量子计算可以兑现的承诺给予高度精确实用有趣的化学问题的解决办法,“Aspuru-Guzik说。
Head-Gordon集团专注于从第一原理计算分子的电子结构——也就是说,从量子力学描述的系统中所有粒子的状态。欧洲杯猜球平台电子结构计算允许科学家预测分子与其他分子和反应是理解的关键和控制他们的物理和化学性质。
的实际挑战这样的计算由保罗·狄拉克在1929年曾表示,谁说量子力学的“底层物理定律所必需的很大一部分的数学理论物理和整个化学因此完全已知的,和困难只是这些法律的具体应用程序导致可溶性公式太复杂。”
的确,薛定谔方程的精确解,量子力学的基本表达式,非常复杂,经典计算机只能够完全解决非常小的分子,大小的水,因为计算所需的时间与规模成指数增加。实际计算等实际执行分子使用近似密度泛函理论。这些通常是有用的和准确的,但尽管如此仍近似,这有时会失败。早在1982年理查德·费曼建议一个更简单的方法来计算一个量子系统可能通过使用量子计算机。
不像古典计算,每个点代表一个0或1但不同时,量子点同时导爆0和1,只有解决(或“崩溃”)在测量时一个值。而古典电脑连续运作,处理一个又一个钻头,量子计算机的量子位元互动形成非常大的计算空间,当测量时,迅速把一个复杂问题的解决方案。
各种物理系统被用来执行量子计算,但还没有人建立了一个足够大的量子计算机与经典计算机竞争。硬件仅仅是挑战的一部分。另一个是设计实用的算法,可以在量子计算机上运行;原则上这些可以运行,如果要缓慢得多,在经典量子计算机的模拟提供了只有少数量子位。
Aspuru-Guzik称之为俄罗斯娃娃的方法:“你开始你想要的物理系统描述,这是最大的娃娃,最多的信息。里面描述了系统的基本方程。里面是一个“模拟”使用量子计算机的系统。里面是一个模拟的量子计算机在古典电脑。”
经典的超级计算机也小;而他们的数量是有限的操作可以控制在一个合理的时间内。只有非常小的分子系统已经完全从第一原理,解决了由于系统中每个粒子的轨道状态必须代表所谓的基础,在一个分子与许多电子的确是非常大的。随着系统规模的增加,计算的数量——从而解决问题所需的时间,增加指数(数字越大,它生长越快)。
然而,使用量子算法在量子计算机的数量计算(因此)多项式只生长速度比线性,但仍“有效地”——随着基底集合的大小。
Aspuru-Guzik说,“我们选择计算和氢化锂因为three-atom水是一个大型的分子小基础,而两个atom氢化锂是一种小分子,但一套较大的基础。”
两个因素是团队成功的关键。一个是找到一个有效的方法来实现必要的任何计算的起点,一个近似的基态能量足够接近实际状态的过程,“准备状态,模拟,”正如Aspuru-Guzik所说。研究人员表明,通过使用一个方法称为绝热状态准备(ASP),甚至一个相对粗糙的初始估计是实用。
在此上下文中“绝热意味着国家重申近似缓慢,”他说。“多快你可以准备状态是由分子的基态之间的差距及其最低激发态。我们发现了一种方法,使这种差距很大。”The researchers confirmed the accuracy of the ASP method by calculating the ground state of the two-electron hydrogen molecule (H2).
更重要的是他们改编的量子算法称为相位估计算法(豌豆)、丹尼尔·艾布拉姆斯和Seth Lloyd六年前提出的。所需的原始版本大约20个量子位的读出寄存器——非常大早期量子计算机。通过修改豌豆,递归地执行,接近更大的准确性与每个重复计算,研究人员减少读出寄存器的大小可控的四个量子位。
应用这些和其他措施,研究人员能够模拟一个基态的量子计算机的计算准确的水和氢化锂6位小数。一个真正的量子计算机可以立刻执行同样的计算。然而,其经典影少一个数量级效率比现有最好的传统方法,主要作者强调,“虽然可能的实验,这种模拟不是竞争作为替代”经典计算机上人们已经做的。
“换句话说,我们说不要在家里尝试这些,“Aspuru-Guzik说。“我们所做的就是说明真相的猜想超过经典的极限计算、量子算法运行至少需要40到100量子位元。”
http://www.lbl.gov/