費曼最初的想法
1981年,物理學家理查德·費曼做了一場演講,提出了一個看似簡單的抱怨:自然界不是古典的,所以如果你想誠實地模擬它,最好也用一台量子機器。他的觀點不是行銷話術。他注意到,在普通電腦上模擬量子系統——原子、分子、材料——會隨著系統增大而呈指數級變難,而他猜測解決辦法是用自然界所用的同一種材料來搭建模擬器。
直覺是這樣的。古典電腦必須用普通的數字寫下量子系統正在做的一切——而一個量子系統蘊含著數量驚人的相互關聯的可能性。相比之下,量子電腦本身就是一個可控的量子系統。因此,與其煞費苦心地*描述*量子行為的每一個細節,不如讓一台調校得當的量子設備*以同樣的方式運轉*,然後讀出答案。這種思路的重構——用量子來模擬量子——正是整個領域的奠基性想法。
為什麼分子在古典計算上如此棘手
要了解一個分子的行為——它結合得有多緊、如何反應、能量最低的形態是什麼樣——你需要弄清它的電子,而電子是深度量子化的。它們並不待在固定的位置上;它們存在於一片共享的、糾纏的可能性雲團之中,其中每個電子的狀態都同時取決於所有其他電子。忠實地刻畫這一點,正是量子化學的核心。
問題出在規模上。粗略地說,追蹤一個分子量子態所需的資訊量,會隨著所涉及的電子(或軌域)數目而呈指數級增長。多加幾個原子,記帳量就會暴漲,超出任何古典超級電腦所能儲存的範圍,更別說計算了。如果你堅持要精確答案,一個不大的分子就已經能超過地球上每一台機器的記憶體。
所以這堵牆是具體而誠實的:問題不在於古典電腦慢,而在於*資訊本身*增長得太快,根本裝不下。這正是量子模擬所瞄準的缺口——不是針對所有問題,而是專門針對這一個。
量子模擬
這個方案是把一個真實的分子映射到量子電腦上。每個量子位元(或一組量子位元)代表分子電子態的一部分,而一套由量子閘構成的量子電路經過精心編排,使量子位元按照真實電子的方式演化。由於一個量子位元暫存器天然就同時處於跨越眾多組態的疊加態,它能以古典位元無法做到的方式承載分子相互關聯的量子態——它的記憶體隨物理一同增長,而不是與之抗爭。
有一個癥結定義了當下這個時刻。費曼的完整願景——以及像相位估計這樣有望為化學帶來明確、可證明優勢的著名演算法——通常需要深而低誤差的電路,這意味著要有帶糾錯的容錯硬體。我們還沒走到那一步。如今的機器屬於NISQ:有雜訊、中等規模,退相干限制著一次計算在訊號被雜訊淹沒之前能跑多久、多深。這一現實塑造了人們當下實際嘗試的一切。
VQE的實戰應用
由於我們還無法運行那些深而理想的演算法,研究人員轉而採用一種適配含雜訊硬體的方法:變分量子本徵求解器(VQE)。它的目標謙遜卻實在——估計一個分子的基態能量,也就是它所能穩定到的最低能量,而這是預測結構和反應性最重要的單一數字。VQE是一種混合方法:一台量子電腦和一台古典電腦輪流上陣。
- 選一個猜測。一段簡短、對硬體友好的量子電路(稱為*擬設*ansatz)為分子準備一個試驗態,由一組可調的旋鈕設定(參數)來調節。
- 測量能量。在量子設備上運行該電路並多次測量,以估計該試驗態的能量。(在這裡,淺層電路是一個優點——它在雜訊毀掉結果之前就跑完了。)
- 讓古典電腦來優化。一個古典演算法查看這個能量,微調旋鈕以試圖把它降低,然後把新的設定交回給量子設備。
- 重複。兩台機器循環往復——量子設備準備並測量,古典設備進行調整——推動能量不斷下降,逼近真正的基態。
這套方法之所以能在含雜訊硬體上奏效,靠的是一條叫作變分原理的物理:真正的基態能量是任何態所能達到的最低值,所以無論VQE找到什麼,它都是一個*上界*——你可以不斷把它往下壓,而絕不會意外地低於真實答案。古典優化器負責搜索;量子設備則負責古典計算難以勝任的那部分——承載那個糾纏的試驗態。
最可信的近期突破
如果你對量子計算只記住一個現實的希望,那就記住這一個:模擬分子和材料,是量子電腦最有可能率先證明自身價值的地方。原因是結構性的,而非炒作——化學本質上就是量子的,古典方法在最棘手的情形下會撞上一堵真實的指數級高牆,而即便是一個近似的量子答案,也可能對設計催化劑、電池、化肥或藥物有重要意義。
與此同時,要對時間表保持誠實。還沒有人針對工業界真正關心的化學問題展示出量子優勢——如今的演示都是古典計算已經能解的小分子,只是為了證明方法行得通。真正令人信服的回報,很可能要等到擁有大量邏輯量子位元的容錯機器,而那還需要多年的艱苦工程,絕非幾個月之事。