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。