image: 分子超导模拟器的工作原理。 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
量子化学模拟已成为量子计算机的「杀手级」应用之一。 近年来，Google，IBM和其他IT公司为了模拟分子结构，一直在设计越来越好的超导比特。最开始，为了计算分子的基态能量, 人们提出了量子相位估计算法。然而，这种量子算法的可扩展性对于目前的量子技术来说要求太高。 一种替代方法被称为“变分本征值求解法”，它可以被用来有效地构造一个耦合簇拟设的酉算子，从而解决了经典量子化学中的一个重要问题。可是，变分本征值求解法仅仅提供了一种获得分子电子结构的手段。为了与实验数据进行比较，量子计算机应该能够预测分子的光谱。
最近，由南方科技大学翁文康教授团队和清华大学孙麓岩教授团队进行了一次原理性验证实验，演示了超导器件如何模拟分子振动光谱。超导模拟器由三维的量子电动力学电路(circuit QED)系统构成，其中transmon比特和3D腔进行耦合。量子比特的两个量子态扮演着分子的电子基态和激发态的角色，并且腔产生的量子化的电磁模式被用来模拟分子的振动。团队实现的超导模拟器有一下几个特点：时间关联函数可以直接利用超导模拟器获得。此外，以黄-李因子(Huang-Rhys parameter)为特征的电子振动耦合强度可以在很宽的范围内调整以模拟不同的分子。此外，模拟器可以用来获得热平衡和非热平衡态的频谱，对于大规模系统这可能超越传统计算机的存储能力。未来，当多个独立的模拟器被连接起来时，可以用这些超导器件研究和预测复杂的化学反应。这提供了在实际应用中实现“量子霸权”的新一个方向。
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Hu, L., Ma, Y.-C., Xu, Y., Wang, W.-T., Ma, Y.-W., Liu, K., Wang, H.-Y., Song, Y. P., Yung, M.-H., Sun, L.-Y. Simulation of molecular spectroscopy with circuit quantum electrodynamics. Sci. Bull. (2018) doi: 10.1016/j.scib.2018.02.001 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S209592731830063X
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