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利用量子计算，阿贡国家实验室求解复杂材料电子结构
现在，美国能源部阿贡国家实验室、芝加哥大学普利兹克分子工程学院和化学系的研究人员已经探索了使用量子计算机解决这些电子结构的可能性。
这项研究结合了新的计算方法，在线发表在《化学理论与计算杂志(JCTC)》上。
“这是使用量子计算机解决计算化学中具有挑战性的问题的令人兴奋的一步，”Giulia Galli说，他与阿贡的科学家Marco Govoni一起领导了这项研究，也是芝加哥大学高级科学与工程联盟(CASE)的成员。
预测材料的电子结构包括求解确定电子如何相互作用的复杂方程，以及建模各种可能的结构在整体能级上的相互比较。
与以二进制位存储信息的传统计算机不同，量子计算机使用可以以叠加态存在的量子比特，使它们更容易、更快地解决某些问题。计算化学家们一直在争论量子计算机最终是否以及何时能够比传统计算机更好地解决复杂材料的电子结构问题。然而，今天的量子计算机仍然相对较小，并且产生嘈杂的数据。
即使有这些弱点，Galli和她的同事们也想知道，他们是否仍能在创造解决量子计算机上电子结构问题所需的基本量子计算方法方面取得进展。
阿贡国家实验室、芝加哥大学高级科学与工程联盟科学家Marco Govoni表示，“我们真正想解决的问题是，如何处理量子计算机的现状。我们问了一个问题：即使量子计算机的结果很嘈杂，它们对解决材料科学中有趣的问题仍然有用吗？”
研究人员使用IBM量子计算机设计了一个混合模拟过程。在他们的方法中，四到六个量子比特之间的少量量子比特执行部分计算，然后使用经典计算机对结果进行进一步处理。
“我们设计了一种迭代计算过程，利用了量子计算机和传统计算机的优势。”
经过几次迭代，模拟过程能够提供固态材料中几个自旋缺陷的正确电子结构。此外，该团队开发了一种新的误差缓解方法，以帮助控制量子计算机产生的固有噪声，并确保结果的准确性。
目前，使用新的量子计算方法解决的电子结构已经可以使用传统计算机解决。因此，关于量子计算机在解决电子结构问题方面是否优于经典计算机的长期争论尚未解决。
然而，新方法提供的结果为量子计算机处理更复杂的化学结构铺平了道路。
对此，研究团队表示：“当我们将其扩展到100个量子比特，而不是4个或6个时，我们认为我们可能比传统计算机具有优势。但只有时间才能证明一切。”
该研究小组正计划不断改进和扩大他们的方法，并将其用于解决不同类型的电子问题，例如溶剂存在下的分子，以及激发态下的分子和材料。
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