科学家利用量子微处理器进行先进的分子光谱模拟

量子模拟使科学家能够模拟和研究复杂系统，而这些系统在各个领域(包括金融建模、网络安全、药物发现、人工智能和机器学习)使用传统计算机很难甚至不可能实现。例如，探索分子振动电子光谱对于理解分子设计和分析中的分子特性至关重要。

然而，这仍然是一个长期存在的计算难题，无法使用传统超级计算机有效解决。研究人员正在努力开发量子计算机和算法来模拟分子振动电子光谱。然而，它们仅限于简单的分子结构，因为它们的精度低且固有噪声大。

香港理工大学(理大)工程学院研究人员成功研发出量子微处理器，可用于模拟实际大结构复杂分子的分子光谱，属世界首创。

要准确捕捉这些量子效应，需要精心开发的模拟技术，考虑量子叠加和纠缠，而这需要大量计算才能用经典方法建模。

该项研究发表在《自然通讯》杂志上，论文标题为“用于分子振动电子光谱的具有压缩真空态的大规模光子网络”。

这项尖端技术为解决复杂的量子化学问题铺平了道路，包括超出传统计算机能力的量子计算应用。

该研究团队由量子工程与科学讲座教授、量子技术研究院(IQT)院长、全球STEM学者、新加坡工程院院士刘爱群教授领衔，项目主要推动者为电气电子工程系博士后研究员、研究论文第一作者朱慧慧博士。

其他合作者来自南洋理工大学、香港城市大学、北京理工大学、南方科技大学、微电子研究所和瑞典查尔姆斯理工大学。

这项研究由量子工程与科学讲座教授兼量子技术研究所所长刘爱群教授(理工大学全球 STEM 学者、新加坡工程院院士)领导，最近发表在《自然通讯》上。电气与电子工程系博士后研究员朱慧慧博士(右二)是第一作者。图片来源：香港理工大学

朱博士团队通过实验演示了大规模量子微处理器，引入了利用线性光子网络和压缩真空量子光源模拟分子振动电子谱的非平凡理论模型，制作并集成了16量子比特的量子微处理器于单个中。

已开发出一套完整的系统，包括量子光子微处理器和电气控制模块的光电热封装硬件集成、设备驱动程序、用户界面和完全可编程的底层量子算法的软件开发。所开发的量子计算机系统为进一步的应用提供了基础构建块。

量子微处理器可应用于解决复杂任务，例如模拟大型蛋白质结构或优化分子反应，显著提高速度和准确性。

朱博士说：“我们的方法可以产生一类早期的实用分子模拟，其作超越了经典极限，并有望在相关的量子化学应用中实现量子加速。”

量子技术在材料科学、化学、凝聚态物理等科学领域中发挥着重要作用，量子微处理器作为一种极具吸引力的硬件平台，为量子信息处理提供了一种极具前景的技术替代方案。

研究成果和由此开发的集成量子微处理器为众多实际应用开辟了重要的新途径。这些应用包括解决分子对接问题和利用图分类等量子机器学习技术。

刘教授表示：“我们的研究受到量子模拟技术对现实世界的潜在影响的启发。在下一阶段的工作中，我们的目标是扩大微处理器的规模，并解决可能造福社会和工业的更复杂的应用。”

研究团队利用量子计算微处理器成功攻克分子光谱模拟这一极具挑战性的任务，他们的研究标志着量子技术及其潜在的量子计算应用取得了重大进展。