科学家开发量子算法用于新材料和化学品的研发

美国海军研究实验室（NRL）的科学家们最近在《物理评论研究》期刊上发表了级联变分量子本征求解器（CVQE）算法，该算法预计将成为一种强大的工具，用于研究电子系统中的物理性质。

CVQE算法是变分量子本征求解器（VQE）算法的一个变体，它只需要在参数优化过程中执行一组量子电路一次，而不是在每次迭代中执行，从而增加了计算吞吐量。

“这两种算法都产生了接近系统基态的量子状态，用于确定系统的许多物理性质，”理论化学部门研究物理学家约翰·斯特恩格博士说，“以前需要数月的计算现在可以在几小时内完成。”

CVQE算法利用量子计算机探测所需的概率质量函数，并使用经典计算机进行剩余计算，包括能量最小化。

“找到最小能量在计算上是困难的，因为状态空间随系统尺寸呈指数增长，”先进功能材料理论部门研究物理学家史蒂夫·赫尔伯格博士说，“除了非常小的系统外，即使是世界上最强大的超级计算机也无法找到确切的基态。”

为了解决这一挑战，科学家们使用了一个带有量子比特寄存器的量子计算机，其状态空间也随之指数增加，即量子比特。通过在寄存器的状态空间上表示物理系统的状态，量子计算机可以用来模拟系统庞大的表示空间中的状态。

数据随后可以通过量子测量来提取。由于量子测量并不是确定性的，量子电路执行必须多次重复以估计描述状态的概率分布，这个过程被称为采样。包括CVQE算法在内的变分量子算法通过一组参数识别试验状态，并通过优化以最小化能量。

“原始VQE方法和新的CVQE方法之间的关键区别在于后者中采样和优化过程已经解耦，使得采样可以完全在量子计算机上进行，参数则完全在经典计算机上处理。”理论化学部门主管、NRL量子计算工作的领导丹·冈力克博士说。“新方法还具有其他好处。解决方案空间的形式不必符合量子比特寄存器的对称要求，因此更容易塑造解决方案空间并实现系统的对称性和其他物理上的约束，这最终将导致对电子系统性质更准确的预测。”

量子计算是量子科学的一个组成部分，根据国防研究与工程办公室(R&E)技术竞争时代技术愿景，量子科学已被指定为关键技术领域。

“了解量子力学系统的性质对于海军和海军陆战队开发新材料和化学品至关重要，”冈力克说。“例如，腐蚀是一个无处不在的挑战，每年给国防部造成数十亿美元的损失。CVQE算法可以用来研究引起腐蚀的化学反应，并为我们现有的防腐队提供关键信息，帮助他们开发更好的涂层和添加剂。”