来自美国能源部（DOE）布鲁克海文国家实验室和石溪大学的一组研究人员设计了一种新的量子算法，用于计算化学反应过程中特定构型下分子的最低能量，包括当它们的化学键被破坏时。正如《物理评论研究》中所述，与类似的现有算法（包括该团队之前的方法）相比，新算法将显着提高科学家准确可靠地计算反应分子中势能面的能力。
为此，布鲁克海文实验室功能纳米材料中心（CFN）物理学家陆德玉与石溪大学杨建理论物理研究所量子信息科学副教授魏子杰、CFN理论家吴琴、石溪博士生余洪业合作。
“了解分子的量子力学，它在原子水平上的行为，可以提供对其化学性质的关键见解，如其稳定性和反应性，”卢说。
确定分子基态的一个特殊性质一直是一个挑战：分子的总电子能（包括动能和势能）处于最低点，并且该“分子系统”之外的任何东西都不会激发或充电分子的电子。当化学系统的原子结构变得更加复杂时，就像在大分子中一样，更多的电子可以相互作用。这些相互作用使得计算复杂分子的基态变得极其困难。
新的量子算法在以前的算法上进行了改进，以创造性的方式解决了这个问题。它利用了通过分子结构中连续改变键长或键角而产生的平滑几何变形。通过这种方法，科学家们说，他们可以非常准确地计算出分子的基态，即使化学键在化学反应过程中正在断裂和重整。
奠定基础
“当仅仅依靠传统的计算方法时，这个基态问题包含太多的变量来解决 – 即使是在最强大的超级计算机上，”Lu说。
您可以将算法视为解决特定问题的一组步骤。经典计算机可以运行复杂的算法，但随着它们变得越来越大，参与度越来越高，它们可能会变得太困难或耗时，以至于经典计算机无法实现求解。量子计算机可以通过利用量子力学的规则来加速这个过程。
在经典计算中，数据存储在值为 1 或 0 的位中。量子比特，称为量子比特，其值可以超过0或1，甚至可以具有0和1的值，即所谓的量子叠加态。原则上，这些更“灵活”的量子比特可以存储比经典比特更多的信息。如果科学家能够找到利用量子比特的信息承载能力的方法，计算能力可以随着每增加一个量子比特而呈指数级增长。
然而，量子比特是相当脆弱的。当提取信息时，它们通常会崩溃。当量子设备与周围环境相互作用时，它会产生破坏量子态的噪声或干扰。温度变化、振动、电磁干扰，甚至材料缺陷也会导致量子比特丢失信息。
为了弥补这些陷阱，科学家们开发了一种混合解决方案，该解决方案利用了两种经典计算算法，这些算法更稳定，更实用。
Lu和Wei于2019年开始研究混合经典和量子计算方法。这项年度赠款通过资助与两个机构的使命相一致的联合研究计划，促进布鲁克海文国家实验室和石溪大学之间的合作。通过这项初步工作，Lu和Wei首先专注于解决基态问题，用量子算法取代最“昂贵”的经典算法-那些更复杂，需要更多的步骤（和更多的计算时间）才能完成的算法。
拉伸粘合，创造新的路径
研究人员指出，现有的量子算法在解决基态问题方面都存在缺点，包括Wei和Yu在2019年开发的算法。虽然一些流行的算法在分子处于平衡几何状态时是准确的 – 它在三维空间中原子的自然排列 – 但是当化学键在大原子距离处断裂时，这些算法可能会变得不可靠。键的形成和解离在许多应用中都起着重要作用，例如预测开始化学反应需要多少能量，因此科学家需要一种方法来解决这个问题。他们需要新的量子算法来描述键断裂。
对于该算法的这个新版本，该团队与布鲁克海文实验室领导的量子优势联合设计中心（C2QA）合作，该中心成立于2020年。Wei为该中心专门从事量子算法的软件推力做出了贡献。该团队的新算法使用绝热方法-一种逐渐改变的方法-但经过一些调整，以确保它在化学键断裂时保持可靠。
“绝热过程通过逐渐适应量子力学系统的条件来工作，”Lu解释说。“在某种程度上，你正在通过非常小的步骤达成解决方案。您将系统从一个简单的、可解的模型发展到最终目标，通常是一个更困难的模型。然而，除了基态之外，多电子系统在较高能量下还具有许多激发态。当使用这种方法计算基态时，这些激发态可能会带来挑战。
Wei将绝热算法比作沿着高速公路行驶，“如果你从一个城镇到另一个城镇，有几条路可以到达那里，但你想找到最安全，最有效的一条。
在量子化学的情况下，关键是在基态和不存在电子态的激发态之间找到足够大的“能量隙”。如果间隙足够大，高速公路隐喻中的车辆就不会“交叉车道”，因此可以准确地追踪它们的路径。
“一个大的差距意味着你可以走得更快，所以，从某种意义上说，你正试图找到一条不那么拥挤的高速公路，在不撞到任何东西的情况下开得更快，”魏说。
“通过这些算法，路径的入口是经典计算中定义明确，简单的解决方案，”Wei指出。“我们也知道出口在哪里 – 分子的基态 – 我们试图找到一种方法，以最自然的方式将其连接到入口，一条直线。
“我们在第一篇论文中做到了这一点，但是由于能源差距的缩小和路径交叉，直线上有路障。现在我们有了更好的解决方案。
当科学家测试该算法时，他们证明，即使有有限的键长变化，改进的版本仍然对基态进行精确执行。
“我们超越了我们的舒适区，因为化学不是我们的重点，”魏说。“但是找到这样的应用程序并促进与CFN的这种合作是件好事。在研究中有不同的观点很重要。
他注意到许多人累积的努力。“在宏伟的计划中，我认为我们做出了一些贡献，但这可能是这些领域其他工作的基础，”他说。“这项研究不仅是基础性的，而且很好地说明了不同的机构和设施如何聚集在一起，利用其专业领域。
更多信息：余宏业等，量子化学的几何量子绝热方法，物理评论研究（2022）。DOI： 10.1103/物理研究.4.033045
Yu Hongye等，具有最大通勤初始哈密顿量的分子能量的量子芝诺方法，物理评论研究（2021）。DOI： 10.1103/物理研究.3.013104
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