量子计算有其局限性

1981年，理查德·费曼在麻省理工学院的一次演讲中谈到了“用计算机模拟物理”。当时已经有人这么做了，但费曼说，他想谈谈“有可能会有一个确切的模拟，电脑会做的完全和自然一样。但他指出，自然是量子力学的，为此你需要一台量子计算机。

剩下的都是历史——但历史仍在创造中。有远见的物理学家戴维•多伊奇(David Deutsch)在1985年提出了量子计算可能的样子。最近，当我问他是否对量子计算的想法如此迅速地成为一项实用技术感到惊讶时，他以他特有的简洁回答说:“没有。你可以明白他的意思。当然，去年10月，美国总统乔•拜登(Joe Biden)访问了IBM新型量子数据中心在纽约波基普西，看到整个房间都是该公司的量子计算机。11月9日，IBM宣布了其433量子比特(量子比特)鱼鹰处理器虽然我们对谷歌的53个量子比特感到兴奋似乎只是昨天的事梧桐芯片谷歌团队在2016年声称用它证明了“量子霸权”，这意味着它可以在几天内完成最好的经典计算机需要数千年才能完成的计算。¹这一说法此后一直存在争议。

多伊奇不愿意接受实用的量子计算已经到来，大概是因为它是否还能做任何真正有用的事情。当然，人们可以构建一个对于经典设备来说非常困难，但非常适合量子计算机的问题，然后证明只有几十个量子比特可能足以实现“霸权”。但这在众所周知的现实世界中有多大帮助呢?当费曼描述量子计算的想法时，他想到了这样一个设施将被用来模拟受量子定律支配的系统，比如分子和材料。而不是使用繁琐的经典近似，如标准从头开始量子化学的方法，一个将表示原子和分子的量子态在他们自己的术语来计算性质，如能谱，电子带结构和稳定性。

小步骤

量子计算机已经这样做了好几年了。Alán当时在加州大学伯克利分校的Aspuru-Guzik和他的同事早在2005年就证明了这一点可以模拟简单分子比如只有几个量子比特的水和氢化锂。²2017年，IBM的一个团队使用了meresix-qubit电路模拟LiH和BeH₂后者是第一个以这种方式模拟的三原子物种。^3.结果一般，但他们建立了量子化学的可行性。

考虑到可用资源在过去几年里的增长，人们可能会期望我们现在可以做得更多。但是一个新的研究加州理工学院的Garnet Chan和他的同事对这一点和多伊奇的评论进行了全面的分析。⁴他们使用了与谷歌的“梧桐”相关的53量子比特芯片来模拟一种真正感兴趣的分子和材料。他们在选择测试用例时，并没有试图找出非常适合量子方法的问题。一种是固氮酶催化核心中由铁和硫组成的8个原子簇，它能将大气中的氮固定为生物可用的形式。了解这一过程对开发人工固氮催化剂很有价值。另一种是晶体材料三氯化钌，这种化合物在量子材料领域引起了极大的兴趣，因为它被认为显示了一种奇特的低温相，称为a自旋液体．⁵

芯片表现如何?坦率地说，相当冷漠。Chan承认，他最初认为，只要有53个量子比特可供使用，他们就能从容地模拟这些系统。但认真对待这个问题后，他打消了那个念头。通过将它们映射到量子电路中，研究人员可以合理地尝试计算，例如，FeS星团的能谱和α-RuCl的热容_3.——但没有什么是经典方法做不到的。其中一个关键问题是噪声:当前的量子比特很容易出错，目前还没有纠正这种量子错误的方法。因此，如果计算有太多的逻辑步骤，噪音就会淹没结果，产生胡言乱语。由于这些原因，该团队只能利用处理器所提供资源的一小部分(约五分之一)。

这让我们清醒地认识到我们目前的处境。当然，情况会继续改善——但你还不能扔掉你旧的量子化学算法。