今天所设想大型、可纠正错误的量子计算机可能还需要几十年的时间，但科学家们正积极地试图找到使用现有和近期量子处理器来解决有用问题的方法，尽管由于错误或“噪音”而受到限制。一个关键的应用是模拟分子特性，从长远来看，这将促使材料改进和药物发现的进步，但不会因为嘈杂的计算而混淆结果。现在，弗吉尼亚理工大学一个化学和物理研究小组设计了一种算法，可以在嘈杂的量子计算机上更有效地计算分子性质，从而实现了先进的量子模拟。

　　弗吉尼亚理工大学科学学院的教员Ed Barnes, Sophia Economou和Nick Mayhall在《自然通讯》上发表了这项研究成果。人们期望量子计算机能够比现在使用的“经典”计算机更有效地进行某些类型计算。然而与经典计算机相似之处在于，量子计算机通过将逻辑门序列（在研究中是“量子门”，它们共同构成量子电路）应用于信息比特来运行算法。对于今天有噪声的量子计算机来说，问题在于太多的噪声会累积在一个电路中，以致于计算会降低，并使以后的计算变得不准确。

　　科学家们很难设计出既短又准确的电路，弗吉尼亚理工大学的团队通过开发一种以迭代方式增长电路的方法解决了这个问题。化学系助理教授梅霍尔(Mayhall)说：我们从一个最小的电路开始，然后在短路中一个接一个地增加逻辑门，直到计算机找到解决方案。该算法的第二个主要优点是，Barnes、Economou和Mayhall根据模拟的分子系统对其进行了自我调整。不同分子将决定他们自己的电路，为他们量身定做。

　　弗吉尼亚理工大学化学系和物理系之间的跨学科合作（barnes、Economou和Mayhall以及来自这两个系的研究生和博士后团队）已经获得了国家科学基金会和美国能源部总计280多万美元的资助。弗吉尼亚理工大学和IBM建立了合作关系，允许研究人员使用IBM的量子计算硬件。物理系副教授伊科诺穆(Economou)说：在弗吉尼亚理工大学的团队对我们下一步的工作非常兴奋，其中包括在IBM处理器上实现我们的算法。化学系统的量子模拟是量子计算机近期最有前途的应用之一。

　　变分量子本征求解器是一种在量子硬件上进行分子模拟的领先算法，但它有一个严重的局限性，那就是通常依赖于预先选择的波函数ansatz，从而得到近似波函数和能量。新研究提出了一个任意精确的变分算法，它不是预先固定一个ansatz，而是系统地以模拟分子的方式一次增加一个操作符。这产生了一个ansatz与少量的参数，导致浅深度电路。研究提供了数值模拟，包括一个典型的强相关分子，这表明算法在电路深度和化学精度方面都比单一耦合聚类方法表现得好得多，探究结果强调了自适应算法在当前和近期量子硬件精确模拟中的潜力。

　　博科园｜研究/来自：Virginia Tech

　　参考期刊《

　　自然通讯

　　》

　　DOI: 10.1038/s41467-019-10988-2

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