澳大利亚研究人员利用量子计算机模拟真实分子的行为

当分子吸收光时，它会经历一场量子力学变化的旋风。电子在能级间跃迁，原子振动，化学键位移——这一切都在十亿分之一秒的百万分之一内发生。

从植物的光合作用、阳光造成的 DNA 损伤，到太阳能电池的运行以及光动力癌症疗法，这些过程都是上述这些现象的基础。

然而，尽管这些过程十分重要，但由光驱动的化学过程却很难精确模拟。传统计算机难以胜任，因为模拟这种量子行为需要巨大的计算能力。

相比之下，量子计算机本身就是量子系统——所以量子行为是自然而然的。这使得量子计算机成为模拟化学的天然候选者。

到目前为止，量子设备只能计算恒定不变的事物，比如分子的能量。本周发表在《美国化学会志》上的我们的研究证明，我们还可以模拟这些分子随时间的变化情况。

我们通过实验模拟了特定真实分子在吸收光之后的行为表现。

用单个离子模拟现实

我们使用了所谓的离子阱量子计算机。这种计算机通过在真空室中利用电磁场固定住单个原子，并对其进行操控来实现工作。

通常，量子计算机使用量子比特(简称量子位)来存储信息。然而，为了模拟分子的行为，我们还在计算机中使用了原子振动，即所谓的“玻色子模式”。

这种技术被称为混合量子位 - 模拟光子模拟。它极大地减少了模拟分子所需的量子计算机的规模。

使用一种新技术，小型量子计算机能够进行逼真的模拟。 尼古拉·贝利

我们模拟了三种分子吸收光的行为：丙二烯、丁二烯和吡嗪。每种分子在吸收光后都会产生复杂的电子和振动相互作用，这使它们成为理想的测试案例。

我们的模拟实验在量子计算机中使用了一束激光和一个原子，将这些过程放慢了 1000 亿倍。在现实世界中，这些相互作用仅需飞秒，但在我们的模拟中，它们以毫秒为单位进行——慢到足以让我们看清发生了什么。

效率高出一百万倍

使我们的实验尤为重要的因素在于我们所使用的量子计算机的规模。

使用传统量子计算机(不使用玻色模式)进行同样的模拟需要 11 个量子比特，并且要无误地执行大约 30 万次“纠缠”操作。这远远超出了当前技术的能力范围。

相比之下，我们的方法通过用一束激光脉冲照射一个被捕获的离子就完成了任务。我们估计，我们的方法比标准的量子方法至少节省了一百万倍的资源。

我们还模拟了“开放系统”的动态变化，在这种情况下分子会与其环境相互作用。这通常对于经典计算机来说是一个难得多的问题。

通过向离子环境注入可控噪声，我们重现了真实分子如何失去能量的过程。这表明环境的复杂性也可以通过量子模拟来捕捉。

下一步是什么?

这项工作是量子化学领域向前迈出的重要一步。尽管目前的量子计算机在规模上仍有限制，但我们的方法表明，精心设计的小型实验已经能够解决具有实际科学意义的问题。

模拟原子和分子在现实世界中的行为是量子化学的一个关键目标。这将有助于更好地理解不同材料的特性，并可能加速医学、材料和能源领域的突破。

我们认为，只要规模适度扩大——比如达到 20 或 30 个离子——量子模拟就能处理任何经典超级计算机都无法应对的复杂化学系统。这将为药物研发、清洁能源以及对驱动生命本身的化学过程的基本理解带来迅速的进展。