谷歌稱其量子計算機將揭示原子結構

谷歌量子人工智能研究人員使用他們的 Willow 量子計算機來幫助理解核磁共振 (NMR) 光譜數據，這是化學和生物學研究的主要內容。這項工作使量子計算機能夠有效地增強普通分子技術。

量子計算機最經過嚴格驗證的用途是破解密碼，但當今的設備太小，在實現解密算法時容易出錯。他們可以取得進展的另一個地方是加快發現新藥物和材料的過程。這種機製本質上是量子的，因此它們非常適合量子計算機的功能。 哈特穆特·內文 他在谷歌量子人工智能公司的同事們現在已經展示了一個例子，證明量子計算機“與自然說同樣的語言”的能力可能是有價值的。

該團隊的工作重點是一種稱為量子回波的計算協議以及將其應用於核磁共振的方法，核磁共振用於確定分子結構的微觀細節。

量子回波的核心思想類似於蝴蝶效應——較大系統中的微小擾動，如蝴蝶翅膀的扇動，可能會導致遙遠的風暴。研究人員在由 103 個量子比特組成的 Willow 系統中使用了該技術的量子版本。

在實驗中，研究人員首先對其量子位應用特定的操作序列，從而以受控方式改變量子位的量子態。然後，他們選擇擾亂一個特定的量子位，就像“量子蝴蝶”一樣，然後應用之前的操作序列，但時間會逆轉，就像倒帶錄像帶一樣。最後，團隊測量了量子位的量子特性，並對其進行分析以了解整個系統的信息。

從更簡單的意義上講，實驗室中使用的核磁共振方法也是基於微小的運動，這次用電磁波驅動真實的分子，然後分析系統如何反應以確定分子的相對位置，就像分子尺一樣。。由於量子位操作模仿了這一過程，因此量子位的數學分析也可以轉化為分子結構的細節。時間他的量子計算步驟使我們能夠看到相距很遠的原子之間， 一位團隊成員說道 湯姆·奧布萊恩。 “我們正在建造一把長原子尺。”

該團隊估計，在傳統超級計算機上運行與量子回波相同的協議需要花費 13,000 倍的時間。他們的測試表明，兩台不同的量子計算機都可以運行 Quantum Echos 並產生相同的結果，而該團隊之前倡導的一些量子算法卻並非如此。奧布萊恩表示，這之所以成為可能，部分原因在於 Willow 硬件質量的快速提高，例如降低了其量子位的錯誤率。

但仍需改進。當研究人員將 Willow 和 Quantum Echo 用於兩種有機分子時，他們一次只使用了最多 15 個量子位，計算結果仍然可以與傳統的非量子方法相匹配。換句話說，該團隊尚未證明柳樹相對於傳統同類材料具有明確的實際優勢。量子回波的這種特殊應用的演示目前處於初步階段，尚未進入正式的同行評審過程。

“原子結構確定的問題非常重要且相關，”他說 基思·弗拉圖斯 HQS Quantum Simulations 是一家開發量子算法的德國公司。他說，在核磁共振等現有技術與量子計算機上執行的計算之間建立聯繫是重要的一步，但目前該技術的使用可能僅限於最專業的生物學研究。

乾電池 該團隊在紐約大學的實驗將使用大型量子計算機，並考慮比他和他的同事之前在量子計算機上設計的更複雜的核磁共振協議和分子。 “量子模擬經常被認為是量子計算機未來的關鍵用例之一，但工業上有趣的案例很少……我認為像核磁共振這樣的光譜數據的模型推理會很有用，”他說。 “我認為我們還沒有做到這一點，但這樣的工作為研究這個問題提供了動力。”

奧布萊恩說，將量子回波應用於核磁共振將使團隊在提高量子位性能時變得更加有用。它們犯的錯誤越少，它們就越能用於單一方案，從而考慮到越來越大的分子。

至此，對量子計算機最佳用途的探索還遠沒有結束。他說，在 Willow 上運行量子回波在實驗上令人印象深刻，但它所實現的數學分析不太可能得到廣泛應用。 庫爾特·馮·凱瑟林 在倫敦國王學院。他說，它的主要吸引力在於那些專注於量子系統基礎研究的物理理論家，直到它徹底擊敗核磁共振專家幾十年來所做的工作。儘管該協議可能並不完全面向未來，但 von Keyserling 表示，他已經對傳統計算如何與其競爭有了想法。