量子模拟如何帮助我们应对现实世界中的严峻挑战

FUTURE远见| 2021-04-14

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什么是模拟？模拟是在一段时间内模仿现实世界的系统或过程。以所选系统或过程的主导行为或特征为基础构建模型，模拟描绘了模型随时间演变的过程。

就像飞行模拟器，它提供一个机会让您可以从台式机或笔记本电脑体验现实世界中发生的事情。每个模拟都包含了风速，风向，空速，飞机配置，襟翼数量，剩余燃料，能见度等因素。

同样地，解决当今世界最大的一些问题也需要模拟，例如肥料的化学组合，可循环利用材料的开发，新疫苗的蛋白质建模，人体组织置换的创新，室温室压下的超导电性等等。

然而，对于科学家和研究人员而言，挑战存在于元素周期表（PTE）中的多种可能的组合。元素周期表中的金属，矿物和气体按原子序数，电子构型和重复化学性质排列，其中94种元素是天然存在的，还有24种是在实验室中合成的。

尝试列出所有组合是一回事。试图分析这些组合相互作用的反应又是另一回事。组合和计算的复杂性几乎是无限的。这远远超出了传统计算的能力。因而量子模拟加入了这项竞争。

量子模拟

量子模拟是发现新材料最有希望的途径之一。例如，在关注固体和液体的性质及其原子构型的凝聚态物理领域，量子模拟具有广阔的前景。当然，对新材料的搜索仍在继续（没有人可以断言我们已经找到了所有材料），并且搜索包含许多特性，例如：

·强度

·耐热或耐寒

·厚度

·磁性

·电特性

·与光的相互作用

·磁导率

以上等等。

以超导为例。超导性在磁共振成像（MRI）磁体和粒子加速器之类的产品中很重要。铝材料在低至1.75开尔文的温度下电阻为零。但问题是在实验室之外将其冷却至1.75K的极低温却非常困难。因此，可以用量子模拟来搜索在室温下具有超导性的元素组合，它的搜索速度比传统计算机要快得多。

模拟必须考虑将元素组合在一起后化学方面的后果（例如在测试中存在危险反应的风险），因此量子模拟器必须要同时解决这些相互作用的模拟问题。任何错误，甚至是经典计算机计算中的无穷小的错误，都可能导致化学反应速率以及电子与原子之间相互作用的精确度方面的错误。

量子模拟的进展

2019年，IonQ模拟了水分子（H₂0），“其准确度接近计算化学领域实际应用所需的水平”。在过去的几年中，Google模拟了氢气（2016年），而IBM模拟了氢化锂和氢化铍（2017年）。D-Wave Systems Inc.最近宣布，在模拟外来磁性方面，他们的“完全可编程的退火量子计算机在实际应用中比传统CPU加快了300万倍”。因此，正如人们所看到的，如今已有模拟分子/原子的先例，这为更多的发现提供了希望。

在量子计算硬件进展方面，IBM最近发布的路线图表明，到2023年，它们的处理能力将超过1000量子比特。IBM和Google都预测，到2030年能够处理超过100万的容错量子比特。与目前只有数十数百个量子比特的量子计算机相比，这是一个非常惊人的数字。

量子模拟的障碍

以目前的量子计算能力，对元素进行有效和高效的计算模拟存在多个障碍，其中包括：

·大规模实施量子纠错

·用可纠错的量子比特来实现量子信息处理

·探索一百万个量子比特如何布线

·量子模拟的人才

·室温处理（如光子计算）

·还有很多

结语

困难从未阻止人类的发现之旅。量子模拟似乎是必然的，研究人员和先驱者正在推动创新的前沿，不仅是开发新材料，更重要的是开发新的解决方案来支持我们自己的发现之旅。令人兴奋的量子计算旅程其实才刚刚开始。更好、更快、更准确的处理器，再加上更有经验的模拟人才和需要解决的难题，就好像我们拥有更好的船只，经验更丰富的船员和未发现的海洋。

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