化学家率先享受量子计算红利

 

IBM和谷歌本月宣布,计划未来几年内实现量子计算机商业化(谷歌明确提出5年之内),为这种新型的计算机提供一种新型云服务。...





概要:量子计算机商业化为新型的计算机提供一种新型云服务。

来源: TomSimonite翻译 : 艾朝阳

 


IBM和谷歌本月宣布,计划未来几年内实现量子计算机商业化(谷歌明确提出5年之内),为这种新型的计算机提供一种新型云服务。各路竞争对手预测,一个崭新的时代即将到来,计算机将具备更为强大的威力,物流和制图公司将享受更有效的工艺路线和更新型的机器学习,获得更好的产品推荐和更好的诊断测试。

而事实上,化学家最有可能不用等这些红利实现,就率先享受商业量子计算机带来的红利,如帮助他们改进电池、提升电子产品等。到目前为止,模拟分子和化学反应的量子计算早已用于小型量子计算机,研究人员不仅对其勾勒最为详尽,而且还为它们开发出了所需的新型算法。

显然,量子计算机能在微小尺度下利用量子力学效应进行任何传统计算机所不能进行的计算。由于用来建造这种计算机的硬件最近取得了一系列的进展(参见2017可用量子计算机十大技术突破),诸多公司如微软、英特尔、谷歌以及IBM都将大笔资金砸向这一领域。

“从理论上可以证明,化学家在领跑”,IBM首席技术官ScottCrowder如是说。虽然他们现在也在出售包括超级计算机在内的各种硬件,但是也希望在未来几年内他们的产品销售链中能够增加云托管量子计算机。“我们更看好化学领域的微型系统。”

研究人员很久以来就运用分子和化学反应模拟来帮助研究新型材料、药品、以及工业催化剂等。运用这一策略,可以减少物理实验方面的时间消耗,避免走进科学死胡同。而事实上,这也是世界上大多数超级计算机的计算任务中很重要的一部分。

这些传统超级计算机尽管高速运转,其回报却非常有限。相对较小的分子中,即使最强大的超级计算机也不一定能够完美地重现其原子和电子的复杂量子行为。哈佛大学化学教授Alán Aspuru-Guzik如是说。他期待着这一天的到来,通过量子计算机仿真,他的研究团队能够加速找到新型发光分子显示器,再例如,能够找到适合电网级规模的储能电池。

“我们现阶段不得不时刻校正实验数据”,Aspuru-Guzik说道。Aspuru-Guzik是量子计算机模拟分子方法的开创者。“如果我们有了量子计算机,很多问题将得到解决。”

模拟量子效应,也就是再现分子结构和反应,是量子计算机本身的自然问题。因为其在将数据编码成与其有同样挑战性量子状态的同时为量子计算机提供了能量。量子计算机的构件称为量子比特(qubits)。量子比特能够利用量子力学过程来实现计算捷径,而这对于传统计算机是不可能的。(加拿大D-wave公司已有出售具有量子属性的芯片,做工业用途或帮助学术研究,但是还不清楚这类装置是否已经达到量子计算机那样的服务水平。)

微软正在押注一款量子硬件,其形态还没有IBM和谷歌成熟(参照微软的量子力学)。不过其在开发使用量子算法方面处于最为先进的行列。微软聚焦的首要领域是化学和材料科学。其研究小组最近展示了一种传统计算机和小型量子计算机协同工作的混合系统,它可以用来仿真化学。

“这种计算机能够有效研究分子,有着很好的发展前景”,Krysta Svore如是说。她是微软量子算法小组组长。她还说,这种混合模型不需要太大的量子计算机,因此可以应用于实用超导材料。传统计算机很难复制电子的量子行为,而这正是实现超导的基石。

当这一理想实现时,或万一实现,化学领域的早期成功应该预示着量子计算机的美好未来。其分子研究的潜力昭示了其解决计算机科学家们所宣称的优化问题的资质和能力,意味着可以从许多可能条件中找到最好的可行办法;还意味着,可以在某一个原子中最为稳定地安装电子,或者在某个城市实施最有效的送货路线。

那么,未来如何应用量子计算机?如今人们最为擅长的仅仅是化学模拟。研究者们对这一类应用优化问题了解比较深入。ChrisMonroe 教授就这样看。他来自马里兰大学,也是IonQ量子计算启动项目的共同发起者。不过,在探索如何在其它方面能够用量子驱动进行优化,例如机器学习等方面,已经有了进展,而且还会有更多进步。

来自微软的Svore 认为,机器学习方面的应用研究会相对步伐较快。同时,解密技术,尽管是一种真正的危险技术,但是仍然会是未来该领域最后一个堡垒。因为,要想攻克这堡垒,相关算法需要非常强大的量子处理器。Monroe把量子计算目前的状况比作早期晶体管阶段。晶体管取得突破性进展,首先是在助听器领域,然后才扩展到其它更大规模领域的应用的。

“他们根本无法想象,把五百个亿的资金砸向一个芯片,结果做的却是这样一类杂货,”他说道,“我们有点类似于处在助听器阶段,我们懂得很少,局限于某个特定领域的利用。我们需要继续探索、前行。”

译者介绍:艾朝阳,湖南大学

来源: TomSimonite
图片来源:                                                              图片版权:

原始研究论文: https://www.technologyreview.com/s/603794/chemists-are-first-in-line-for-quantum-computings-benefits
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