如果你知道組成一個特定分子或固體材料的原子，這些原子之間的相互作用可以通過計算確定，通過解決量子力學方程–至少，如果分子小而簡單。然而，解決這些方程對於從材料工程到藥物設計等領域至關重要，但對於復雜的分子和材料來說，需要的計算時間太長了。

現在，美國能源部（DOE）阿貢國家實驗室和芝加哥大學普利茲克分子工程學院（PME）和化學系的研究人員已經探索了使用量子計算機解決這些電子結構的可能性。

研究人員開發了一種新的混合模擬過程，使用量子計算機解決電子結構問題，有可能使量子計算機在未來處理更複雜的化學結構。

這項研究使用了新的計算方法的組合，在線發表在《化學理論與計算》雜誌上。它得到了Q-NEXT的支持，這是一個由阿貢領導的美國能源部國家量子信息科學研究中心，以及中西部計算材料綜合中心（MICCoM）。

Giulia Galli說：”這是朝著使用量子計算機來解決計算化學中的挑戰性問題邁出的令人興奮的一步，”他與阿貢的工作人員科學家和芝加哥大學先進科學和工程聯合會（CASE）的成員Marco Govoni一起領導了這項研究。

計算方面的挑戰

預測一種材料的電子結構需要解決決定電子如何相互作用的複雜方程，以及模擬各種可能的結構在其整體能量水平上如何相互比較。

與以二進制比特存儲信息的傳統計算機不同，量子計算機使用可存在於疊加狀態的量子比特，讓它們更容易和快速地解決某些問題。計算化學家們一直在爭論量子計算機是否以及何時能夠最終比傳統計算機更好地解決複雜材料的電子結構問題。然而，今天的量子計算機仍然相對規模較小，並會產生噪音數據。

使用量子計算機預測複雜材料的電子結構

Giulia Galli教授和其他研究人員探索了使用量子計算機預測複雜材料的電子結構的可能性，這是從材料工程到藥物設計等領域的一個進步。

即使有這些弱點，加利和她的同事們想知道他們是否仍能在創建量子計算機上解決電子結構問題所需的基礎量子計算方法方面取得進展。

“我們真正想解決的問題是，在目前的量子計算機狀態下，有可能做什麼，”Govoni說。”我們提出了這個問題： 即使量子計算機的結果是有噪音的，它們是否仍然可以用來解決材料科學中有趣的問題？”

一個迭代過程

研究人員設計了一個混合模擬過程，他們使用的是IBM量子計算機。在他們的方法中，少量的量子比特–四到六個之間–執行部分計算，然後用經典計算機進一步處理結果。

“我們設計了一個迭代的計算過程，利用了量子計算機和傳統計算機的優勢，”加利小組的研究生、新論文的第一作者Benchen Huang說。

經過幾次迭代，模擬過程能夠提供固態材料中幾個自旋缺陷的正確電子結構。此外，該團隊還開發了一種新的錯誤緩解方法，以幫助控制量子計算機產生的固有噪聲，並確保結果的準確性。

對未來的提示

就目前而言，使用新的量子計算方法解決的電子結構已經可以用常規計算機來解決。因此，長期以來關於量子計算機在解決電子結構問題上是否能優於經典計算機的爭論還沒有解決。

然而，新方法提供的結果為量子計算機解決更複雜的化學結構鋪平了道路。

Huang說：”當我們將其擴大到100個量子比特，而不是4個或6個時，我們認為我們可能比傳統計算機更有優勢。但只有時間能證明這一點”。

該研究小組計劃繼續改進和擴大他們的方法，以及用它來解決不同類型的電子問題，如有溶劑存在的分子，以及處於激發狀態的分子和材料。