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新的量子算法通过沿几何路径的适应来解决关键的量子化学问题

导读 来自能源部(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的分子的最低能量...

来自能源部(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的分子的最低能量,包括当它们的化学键断裂时。如《物理评论研究》中所述,与现有的类似算法(包括团队以前的方法)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。

在这项工作中,布鲁克海文实验室功能纳米材料中心(CFN)物理学家DeyuLu与石溪大学CNYang理论物理研究所专攻量子信息科学的副教授Tzu-ChiehWei合作,QinWuCFN理论家、博士生于红叶。石溪的学生。

“了解分子的量子力学,了解它在原子水平上的行为方式,可以提供对其化学性质(如稳定性和反应性)的关键洞察,”Lu说。

一个难以确定的特殊性质是分子的基态: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复杂时,例如在大分子中,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。

新的量子算法改进了以前的算法,以创造性的方式解决了这个问题。它利用分子结构中连续变化的键长或键角产生的平滑几何变形。科学家们表示,通过这种方法,他们可以非常准确地计算分子的基态,即使化学键在化学反应过程中发生断裂和重组。

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无法解决的变量——即使在最强大的超级计算机上也是如此,”卢说。

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并且涉及的越多,它们可能变得过于困难或耗时,以至于经典计算机无法切实解决。量子计算机可以通过利用量子力学规则来加速这一过程。

在经典计算中,数据存储在值为1或0的位中。量子位(称为qubit)可以具有超出0或1的值,甚至可以具有0和1的值,在所谓的量子叠加。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。如果科学家们能找到方法来利用量子比特的信息承载能力,那么计算能力就会随着每增加一个量子比特而呈指数级增长。

然而,量子比特非常脆弱。在提取信息时,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。

为了弥补这些缺陷,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,更加稳定和实用。

Lu和Wei于2019年开始研究混合经典计算和量子计算方法。这项年度拨款通过资助符合两个机构使命的联合研究计划,促进了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,方法是用量子算法替换最“昂贵”的经典算法——那些更复杂且需要更多步骤(和更多计算时间)才能完成的算法.

拉长纽带,开辟新道路

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陷,包括Wei和Yu在2019年开发的一种。虽然一些流行的算法在分子处于平衡几何时是准确的——它的原子自然排列成三个尺寸——当化学键在大原子距离处断裂时,这些算法可能变得不可靠。键的形成和解离在许多应用中都发挥着作用,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分子反应时的这个问题。他们需要可以描述键断裂的新量子算法。

对于这个新版本的算法,该团队与Brookhaven-Lab领导的量子优势联合设计中心(C2QA)合作,该中心成立于2020年。魏为该中心的软件推力做出了贡献,该中心专门研究量子算法。该团队的新算法使用了一种绝热的方法——一种逐渐变化的方法——但进行了一些调整,以确保它在化学键断裂时仍然可靠。

“绝热过程通过逐渐适应量子力学系统的条件而起作用,”卢解释说。“在某种程度上,你正在以非常小的步骤达成解决方案。你将系统从一个简单的、可解决的模型发展为最终目标,通常是一个更困难的模型。然而,除了基态之外,还有一个多电子系统“有许多更高能量的激发态。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将绝热算法比作在高速公路上行驶,“如果你从一个城镇到另一个城镇,有几条路径可以到达那里,但你想找到最安全、最有效的一条。”

就量子化学而言,关键是要在基态和不存在电子态的激发态之间找到足够大的“能隙”。有了足够大的间隙,高速公路隐喻中的车辆就不会“越过车道”,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,你正在努力寻找一条不那么拥挤的高速公路,以便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,”魏指出。“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它与入口连接起来,一条直线。

“我们在第一篇论文中就这样做了,但由于能隙闭合和路径交叉,直线存在障碍。现在我们有了更好的解决方案。”

当科学家们测试该算法时,他们证明即使键长变化有限,改进后的版本仍能准确地处理基态。

“我们超越了我们的舒适区,因为化学不是我们的重点,”魏说。“但很高兴找到这样的应用程序并促进与CFN的这种合作。在研究中拥有不同的观点很重要。”

他注意到许多人的累积努力。“在宏伟的计划中,我认为我们正在做出微小的贡献,但这可能会成为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联合起来利用他们的专业领域。”

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