近年来，量子计算机的发展不断取得进步。如何推动量子计算机开展有实际价值的计算，成为研发量子计算机的科学家们和大公司机构研究的重点问题。IBM已经在开始用量子计算机为戴姆勒改善电动汽车的研究。

北京量子信息科学研究院（以下简称北京量子院）博士魏世杰、清华大学博士李行与清华大学物理系教授、北京量子院兼聘研究员龙桂鲁开展合作，开发了一款量子计算机“应用软件”，使量子计算机能够计算分子基态能级和对应的电子结构。相关成果不久前发表在Research杂志。

“大学和研究所具有基础研究优势，北京量子院有开展协同创新、集中攻关和开展应用转化的优势。”龙桂鲁告诉《中国科学报》，此次研究成果很好地体现了协同创新的特点。

挖掘量子计算机实用价值

多年来，“量子计算机研制成功”的报道不断刺激人们的眼球，但遗憾的是，量子计算机一直处于起步阶段，只有几个量子比特的原理演示装置，做不了有实际价值的计算。

突破始于2016年。当年，IBM推出了5个比特的量子云计算平台，标志着国际大公司加入了研制量子计算机的竞赛。2019年，谷歌开发了53比特的量子计算机，并用200秒演示了一个随机分布的计算，而如果使用世界第一号超强计算机计算该随机分布，则需要1万年。在这个特定的问题里，谷歌展示了量子计算机超越现今世界上最强大计算机的能力，完成了演示“量子霸权”这一量子计算发展的里程碑。

龙桂鲁表示，这个里程碑事件，预示着有噪中规量子计算时代已经到来，“即还无法进行纠错，带着噪声进行计算的，具有几十到几千量子比特的中等规模的量子计算机”，“虽然它们带病工作，但是仍然能够做一些超越现在最大电子计算机的计算”,“我们简称这种量子计算机为有噪量子计算机。利用有噪量子计算机解决实际问题将成为现实，并且成为今后持续的研究热点和应用方向。”

能够应用于材料合成与生物制药的量子化学模拟，是近期最有可能在应用层面实现量子优势的领域。龙桂鲁介绍，经典计算中的化学模拟的计算复杂度非常高，随着电子轨道数目的增加，计算量呈指数级增长，经典计算机无法实现精确计算。但量子计算机中，计算量大大减少，可使用多项式量级的计算复杂度实现大分子的模拟。

魏世杰、龙桂鲁等人开发的全量子本征求解器（FQE），相当于为量子计算机开发了一款特殊的“应用软件”。这个“应用软件”安装在量子计算机上，可以计算分子基态能级和对应的电子结构。

“尤其是它不仅可以在IBM和谷歌等开发的现有有噪量子计算机上工作，而且今后可以直接自然过渡，在未来的大型容错量子计算机上工作。”龙桂鲁说，这款“应用软件”不仅可在现有量子计算机上应用，还可“兼容”未来更先进的量子计算机。

得益于长期研究积累

龙桂鲁表示，高效的量子化学模拟将在生物制药、新材料与能源、高温超导等领域发挥重要作用；而构造有效的量子算法，是完成高效量子模拟的关键所在。

在本研究中，魏世杰、龙桂鲁等人的全量子本征求解器采用了量子化的梯度下降算法。他们把二次量子化的费米哈密顿量映射到希尔伯特空间的比特形式哈密顿量，应用量子梯度下降算法求得哈密顿量的基态能量和基态波函数。

“具体而言，在一个量子计算系统中，首先设定一个合适的量子初态，通过构造的量子算法给出量子线路实现对应的动力学演化，通过迭代收敛到基态，最后测量量子态得到需要的信息。”龙桂鲁解释说。

寻找最稳定结构在量子化学中是非常困难的工作，需要大量的计算，但这样的挑战对量子计算机来说，却是“拿手好戏”。龙桂鲁表示，FQE已经可以进行量子化学计算，它通过变化分子中原子间的距离，找到能量最低状态，得到分子的最稳定结构。

全量子本征求解器的“全”字，意味着FQE的全部计算都是在量子计算机上完成的，而其他的本征求解器则需要在量子计算机和经典计算机之间不停的转换来实现。FQE之所以能够在量子计算机上全部完成计算，是因为它采用了龙桂鲁在2002年提出的酉算子线性组合（LCU）。

此前科学家们提出的量子计算模型中，只允许酉算子的乘除运算。龙桂鲁提出的LCU则突破了这种限制，为量子算法设计提供了新的途径。这一方法还被中-英-澳联合团队采用，以LCU作为量子计算机的体系结构，研制了国际上首个通用集成光量子计算芯片。

创新机制促进协同攻关

龙桂鲁表示，有噪量子计算时代已经到来，这标志着量子计算应用的开始。随着量子计算机硬件的不断发展，计算的规模、精度和速度都会不断改进，量子计算应用研究将成为常态。

而这一系列深入的研究，有赖于清华大学和北京量子院两个团队之间的亲密合作。北京量子院成立于2017年年底，是一个由北京市发起，联合中科院、清华、北大等多家顶尖院所高校共建的新型研发机构。

在治理模式上，量子院实行理事会领导下的院长负责制；在运行机制上，量子院与共建单位在人才双聘、资源整合、协同攻关、知识产权共享等方面探索体制机制创新。

最引人关注的是在人才引进与培养上，北京量子院打破原有的科研单位人员编制化、工资额定化的模式，实行与国际科研机构接轨的人员聘用制、薪酬灵活化等模式，引导国内外相关领域研究人员以全职、双聘方式参与量子院工作，推动人才自由流动。

龙桂鲁正是北京量子院的兼聘研究员之一。“我几乎每周都会去北京量子院，与相关团队进行探讨交流。”龙桂鲁说，在此项研究中，清华体现了扎实超前的基础研究特点，而北京量子院在量子模拟应用方面有其优势。

目前，魏世杰、龙桂鲁等人正在将FQE用常见的量子计算语言（如IBM的QISKIT和华为的HiQ等）进行编程，将FQE嵌入到量子编程语言中，以整合成一个可以实现从输入化学分子信息到量子处理器计算，并将计算结果反馈给操作者的一体化通用量子计算平台。

FQE全部在量子计算机上进行，不仅可以在现今53比特的IBM和谷歌的有噪量子计算机上计算，而且可在今后大型的容错量子计算机上计算。

“经过发展和完善，FQE将有望成为普遍使用的通用量子化学计算平台，就像如今在经典计算机中广泛使用的高斯程序那样。”龙桂鲁说，清华大学和北京量子院将继续发挥协同创新的优势，推动量子计算、量子化学计算等方面的深入研究。

相关论文信息：DOI: 10.34133/2020/1486935