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特稿:新材料如何實現“量子飛躍”
2018-03-21 11:13:06 來源: 新華網
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  新華社北京3月21日電 特稿:新材料如何實現“量子飛躍”

  新華社記者彭茜

  長期以來,人們對量子信息技術應用的關注一直集中在數據傳輸和加密等領域。新研究將目光轉向化學領域,使量子係統有望助力開發新藥和新材料等。研究人員最近使用量子計算機對簡單分子進行建模,實現新材料的“量子飛躍”,成為量子計算商用化的開始。

  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。

  量子計算助力分子建模

  美國國際商用機器公司(IBM)率先取得突破,採用7量子比特的量子計算機對小分子的電子結構成功進行倣真計算,相關成果發表在英國《自然》雜志上。借助該技術,科學家能了解分子的各個方面信息,開發出更有效藥物和能源效率更高的新材料。

  量子計算機如何帶來材料的“量子飛躍”?首先,從量子計算基本原理看,量子計算機與傳統計算機最大區別是運算方式:傳統計算機的計算單位是比特,只能處于0或1的二進制狀態;而量子計算機則將信息存儲在量子比特中,量子比特以0和1的疊加態存在,並可使用量子糾纏和量子疊加等獨特的量子效應進行信息處理,極大提高計算效率。

  具體在材料研發領域,最大挑戰是在分子建模中計算化合物的基本能態,即必須模擬出每個原子內電子與其他原子的相互作用,這種相互作用遵循量子力學原理。用傳統計算機模擬這些分子結構要消耗大量能量,且隨著分子內原子數增加,模擬愈加困難。相反,量子計算機在模擬這些具有量子特性的分子結構方面有天然優勢。

  IBM研究團隊採用全新算法,利用特定金屬超導體制作的量子計算機計算出氫化鋰、氫氣和氫化鈹的最低能態,並模擬出這3種分子。氫化鈹是迄今在量子係統中模擬的最復雜分子,創造了量子係統模擬新紀錄。此外,IBM還通過雲服務公開其16個量子位計算機和各種量子化學算法,呼吁化學家利用這些工具進行模擬分子的研究。

  全球各大科技巨頭爭相在材料研發領域試水量子計算。谷歌和大眾汽車合作,利用量子計算模擬和優化開發電動汽車所用的高性能電池結構,創造更智能的汽車和更好的基礎設施。

  谷歌還在線免費開放開源量子計算軟件OpenFermion,化學家和材料學家可利用谷歌軟件改編算法和方程,從而讓化學模擬能在量子計算機上運算。這款軟件包含一個算法庫,能在量子計算機上模擬電子的相互作用,幫助科學家將化學分子模擬實驗和材料描述為量子計算機可以理解的編程方式,節約大量時間。

  中國科技企業奮勇爭先

  材料的“量子飛躍”讓人看到了量子計算更加貼近生活的應用場景。目前,中國的量子計算理論和應用研究方興未艾,但與國外尚有差距。領跑全球量子計算領域的是IBM、谷歌等科技公司,而中國量子計算還停留在高校實驗室研究階段,企業的商業化應用尚不成熟。

  中國科學院物理所研究員、北京凝聚態物理國家實驗室首席科學家丁洪此前接受媒體採訪時説,量子通信和量子計算是量子信息技術的兩個重要方面,雖然中國科學技術大學潘建偉團隊的工作讓中國在量子通信方面走到了世界最前列,但在量子計算這個更廣闊的領域,中國與美國仍有差距。

  不過,中國科技公司已開始在這方面大力布局,阿裏、騰訊、百度先後成立了量子計算實驗室,力求在該領域搶佔賽道。據悉,目前相關實驗室均處在“招兵買馬”階段,對量子信息技術、物理、數學、計算機等領域人才的需求十分迫切。

  阿裏雲量子技術首席科學家施堯耘接受記者採訪時説,阿裏正計劃在北京建立量子計算團隊,重點研究利用量子算法開發新材料和藥物。現在量子計算在開發新材料方面的應用仍處在早期階段,但有望在5年內成熟。

  施堯耘認為,目前量子計算在美國已進入市場最佳調配資源期。不光幾個大公司有重大投入,資本市場也已進入這個領域,締造了多個創業公司。對技術進步的純粹追求、效率至上的觀念以及良好待遇等因素,使企業對人才有巨大吸引力,也使得企業成為美國“量子國家隊”的主力軍。

  “中國發展量子計算可以借鑒之處在于:加速大批量、高質量的人才培養,鼓勵人才自由流動,支持和激勵企業進入,鼓勵國際化。”施堯耘説。

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【糾錯】 責任編輯: 馮文雅
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