特稿：新材料如何實(shí)現(xiàn)“量子飛躍”

新華社北京3月21日電特稿：新材料如何實(shí)現(xiàn)“量子飛躍”

新華社記者彭茜

長期以來,，人們對(duì)量子信息技術(shù)應(yīng)用的關(guān)注一直集中在數(shù)據(jù)傳輸和加密等領(lǐng)域,。新研究將目光轉(zhuǎn)向化學(xué)領(lǐng)域，使量子系統(tǒng)有望助力開發(fā)新藥和新材料等,。研究人員最近使用量子計(jì)算機(jī)對(duì)簡單分子進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)新材料的“量子飛躍”,，成為量子計(jì)算商用化的開始。

美國《麻省理工科技評(píng)論》日前將“材料的量子飛躍”列入2018全球十大突破性技術(shù),。

量子計(jì)算助力分子建模

美國國際商用機(jī)器公司(IBM)率先取得突破，采用7量子比特的量子計(jì)算機(jī)對(duì)小分子的電子結(jié)構(gòu)成功進(jìn)行仿真計(jì)算,，相關(guān)成果發(fā)表在英國《自然》雜志上,。借助該技術(shù)，科學(xué)家能了解分子的各個(gè)方面信息,，開發(fā)出更有效藥物和能源效率更高的新材料,。

量子計(jì)算機(jī)如何帶來材料的“量子飛躍”,？首先，從量子計(jì)算基本原理看,，量子計(jì)算機(jī)與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)最大區(qū)別是運(yùn)算方式：傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的計(jì)算單位是比特,，只能處于0或1的二進(jìn)制狀態(tài),；而量子計(jì)算機(jī)則將信息存儲(chǔ)在量子比特中，量子比特以0和1的疊加態(tài)存在，并可使用量子糾纏和量子疊加等獨(dú)特的量子效應(yīng)進(jìn)行信息處理,，極大提高計(jì)算效率,。

具體在材料研發(fā)領(lǐng)域,，最大挑戰(zhàn)是在分子建模中計(jì)算化合物的基本能態(tài)，即必須模擬出每個(gè)原子內(nèi)電子與其他原子的相互作用,，這種相互作用遵循量子力學(xué)原理,。用傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)模擬這些分子結(jié)構(gòu)要消耗大量能量,，且隨著分子內(nèi)原子數(shù)增加,，模擬愈加困難。相反,，量子計(jì)算機(jī)在模擬這些具有量子特性的分子結(jié)構(gòu)方面有天然優(yōu)勢(shì),。

IBM研究團(tuán)隊(duì)采用全新算法，利用特定金屬超導(dǎo)體制作的量子計(jì)算機(jī)計(jì)算出氫化鋰,、氫氣和氫化鈹?shù)淖畹湍軕B(tài),，并模擬出這3種分子。氫化鈹是迄今在量子系統(tǒng)中模擬的最復(fù)雜分子,，創(chuàng)造了量子系統(tǒng)模擬新紀(jì)錄。此外,，IBM還通過云服務(wù)公開其16個(gè)量子位計(jì)算機(jī)和各種量子化學(xué)算法,，呼吁化學(xué)家利用這些工具進(jìn)行模擬分子的研究。

全球各大科技巨頭爭(zhēng)相在材料研發(fā)領(lǐng)域試水量子計(jì)算,。谷歌和大眾汽車合作,，利用量子計(jì)算模擬和優(yōu)化開發(fā)電動(dòng)汽車所用的高性能電池結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造更智能的汽車和更好的基礎(chǔ)設(shè)施,。

谷歌還在線免費(fèi)開放開源量子計(jì)算軟件OpenFermion,，化學(xué)家和材料學(xué)家可利用谷歌軟件改編算法和方程，從而讓化學(xué)模擬能在量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)算,。這款軟件包含一個(gè)算法庫,，能在量子計(jì)算機(jī)上模擬電子的相互作用，幫助科學(xué)家將化學(xué)分子模擬實(shí)驗(yàn)和材料描述為量子計(jì)算機(jī)可以理解的編程方式,，節(jié)約大量時(shí)間,。

中國科技企業(yè)奮勇爭(zhēng)先

材料的“量子飛躍”讓人看到了量子計(jì)算更加貼近生活的應(yīng)用場(chǎng)景。目前,，中國的量子計(jì)算理論和應(yīng)用研究方興未艾,，但與國外尚有差距,。領(lǐng)跑全球量子計(jì)算領(lǐng)域的是IBM、谷歌等科技公司,，而中國量子計(jì)算還停留在高校實(shí)驗(yàn)室研究階段,，企業(yè)的商業(yè)化應(yīng)用尚不成熟。

中國科學(xué)院物理所研究員,、北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室首席科學(xué)家丁洪此前接受媒體采訪時(shí)說,，量子通信和量子計(jì)算是量子信息技術(shù)的兩個(gè)重要方面，雖然中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)的工作讓中國在量子通信方面走到了世界最前列,，但在量子計(jì)算這個(gè)更廣闊的領(lǐng)域,，中國與美國仍有差距。

不過,，中國科技公司已開始在這方面大力布局,，阿里、騰訊,、百度先后成立了量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室,，力求在該領(lǐng)域搶占賽道。據(jù)悉,，目前相關(guān)實(shí)驗(yàn)室均處在“招兵買馬”階段,，對(duì)量子信息技術(shù)、物理,、數(shù)學(xué),、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域人才的需求十分迫切。

阿里云量子技術(shù)首席科學(xué)家施堯耘接受記者采訪時(shí)說,，阿里正計(jì)劃在北京建立量子計(jì)算團(tuán)隊(duì),，重點(diǎn)研究利用量子算法開發(fā)新材料和藥物。現(xiàn)在量子計(jì)算在開發(fā)新材料方面的應(yīng)用仍處在早期階段,，但有望在5年內(nèi)成熟,。

施堯耘認(rèn)為，目前量子計(jì)算在美國已進(jìn)入市場(chǎng)最佳調(diào)配資源期,。不光幾個(gè)大公司有重大投入,，資本市場(chǎng)也已進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域，締造了多個(gè)創(chuàng)業(yè)公司,。對(duì)技術(shù)進(jìn)步的純粹追求,、效率至上的觀念以及良好待遇等因素，使企業(yè)對(duì)人才有巨大吸引力,，也使得企業(yè)成為美國“量子國家隊(duì)”的主力軍,。

“中國發(fā)展量子計(jì)算可以借鑒之處在于：加速大批量、高質(zhì)量的人才培養(yǎng)，鼓勵(lì)人才自由流動(dòng),，支持和激勵(lì)企業(yè)進(jìn)入,，鼓勵(lì)國際化?！笔﹫蛟耪f,。