芝加哥大学开发的一种新算法，从古代亚历山大港的一个著名阴影实验中汲取灵感，可以帮助量子计算机更有效地高精度模拟分子系统。
科学家们最有希望的量子计算机的潜在优势之一是分子模拟。这些模拟对于经典计算机来说太复杂了，无法以足够的精度执行，但量子计算机有可能帮助科学家更好地理解量子力学，并最终可能导致新型疗法和未来材料。
这个未来可能更近了一步：芝加哥大学开发的一种新算法，从古代亚历山大港的一个著名实验中汲取灵感，可以帮助量子计算机更有效地高精度地模拟分子系统。
该算法由David Mazziotti教授和研究生Irma Avdic设计，将随机采样方法与物理约束相结合，以减少模拟分子所需的测量次数。
其结果是一种“增压”方法，使当前的量子计算机更接近于经典计算机的优势，同时为未来量子计算架构的更好性能奠定了基础。
“我们的算法有望使使用量子计算机预测分子的潜在好处更接近现实，”化学教授、该研究的资深作者Mazziotti说。该研究发表在《物理评论快报》上。
为了更好地理解量子系统，请结合方法理解量子系统是极其困难的。在最小的层面上，自然界的行为与我们的经典世界不同，目前不可能计算这些系统中的大量分子能量和性质。
例如，经典计算机使用近似值来计算两个以上电子系统的行为。但是，由量子比特驱动的量子计算机本身具有量子性，有可能更准确地描述这些类型的系统。
尽管如此，量子计算仍处于发展的早期阶段，并且由于其量子性质，这些计算机本质上是嘈杂的，因此很难在噪声中找到正确的信号。
Mazziotti和Avdic开发的新算法通过改进一种称为阴影断层扫描的方法来帮助找到该信号。阴影断层扫描是一种表征量子态的技术，通过随机采样量子态的不同可能性来帮助创建量子态的“图像”。
这些可能性——本质上是投射到经典世界的量子世界的“影子”——最终为科学家提供了足够的信息来重建实际的量子态。
Mazziotti和Avdic说，他们的技术受到古代地中海城市亚历山大的突破的启发，地理学家使用阴影与几何约束相结合来了解地球的大小和形状。
但阴影断层扫描本身并不足以有效地理解具有两个以上电子的系统（一种被称为“多体问题”的问题）。为此，科学家们使用了一种称为双电子还原密度矩阵或2-RDM的方法。这种方法使科学家有可能在电子场中找到两个电子。这些信息足以预测系统的电子特性。
算法可用于模拟化学反应该团队将这两种方法结合起来，并通过施加所谓的N-可表示性约束来增强它们。这些是 2-RDM 必须遵守的物理约束（例如，由许多电子组成的系统的物理约束）。
最终，这些约束和方法相结合，可以减少测量，从而产生更少的噪声。其结果是更准确地收敛于量子系统的正确模拟。
“拥有这些额外的信息可以大大提高测量的准确性，”Avdic说。
科学家们在分子系统上测试了该算法，并用它来预测化学过程的重要元素，如活化能。接下来，该团队计划在实际应用中使用该算法，例如模拟化学反应。
“正如阴影和几何约束在古代亚历山大港理解地球方面发挥了作用一样，我们可以将阴影与电子约束结合起来，以了解量子计算机上的分子，”Mazziotti说。“这项研究使我们离实现量子计算在分子模拟中的潜力更近了一步。
更多信息：Irma Avdic 等人，具有 N 可表示性条件的阴影断层扫描的测量值较少，物理评论快报 （2024）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.132.220802.在arXiv上： DOI： 10.48550/arxiv.2312.11715
期刊信息： Physical Review Letters ， arXiv
