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研究背景

隨著量子計算技術的發(fā)展，量子計算化學作為其潛在應用之一引起了廣泛關注。在這一領域，科學家們致力于利用量子計算機解決分子結構和反應等復雜化學問題。其中，變分量子特征求解器（VQE）等混合量子經(jīng)典計算方法被認為是解決量子化學問題的有前景的途徑。

然而，盡管理論上存在著這些方法的潛力，實際應用卻面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。首先，由于分子系統(tǒng)的復雜性，實際計算所需的量子資源過于龐大，如門數(shù)量、測量數(shù)量和總運行時間。其次，量子處理器上的噪聲和誤差問題也對實驗結果的準確性和可靠性構成了嚴重挑戰(zhàn)。這些困難使得目前的量子化學實驗往往局限于小規(guī)模或具有限模型的驗證性演示，與理論上的潛力相距甚遠。

成果簡介

為了解決這一問題，中國科學技術大學朱曉波教授，潘建偉院士，北京大學袁驍教授等人在Nature Physics期刊上發(fā)表了題為“Experimental quantum computational chemistry with optimized unitary coupled cluster ansatz”的最新論文。本研究著眼于提高量子計算化學模擬的可靠性和可擴展性。首先，研究團隊選擇了變分量子特征求解器作為解決方案的基礎，并針對電子結構計算開發(fā)了優(yōu)化的單位耦合簇模型。其次，他們針對量子處理器上的噪聲和誤差進行了系統(tǒng)性的優(yōu)化，包括硬件結構的改進、基本操作的校準以及量子錯誤緩解協(xié)議的設計與實現(xiàn)。通過這些措施，研究團隊成功地將實驗中的量子計算化學模擬擴展到了12比特，并將計算精度提高了兩個數(shù)量級。

研究亮點

（1）實驗首次在嘈雜的量子處理器上實現(xiàn)了變分量子特征求解器（VQE）的H2、LiH和F2模擬。

通過選擇對稱保持和主導項，開發(fā)了優(yōu)化的幺正耦合簇（UCC）模型。
引入了基于UCC型模型中基本操作的校準實現(xiàn)，以提高電路精度。

（2）實驗結果表明，通過系統(tǒng)硬件增強和錯誤緩解技術的整合，取得了以下改進：

實現(xiàn)了高保真度的并行門，顯著抑制了串擾。
通過優(yōu)化讀出參數(shù)，顯著抑制了測量中的相關讀出誤差。
設計并實現(xiàn)了四種量子錯誤緩解（QEM）協(xié)議，減輕退相干、讀出和算法誤差。
實現(xiàn)了兩個數(shù)量級的計算精度提高，使得作者能夠將經(jīng)過錯誤緩解的模擬擴展到12比特。

圖文解讀

圖1：在超導量子處理器上，變分量子特征求解器variational quantum eigensolver ，VQE示意圖，顯示了器件、量子電路、測量和誤差抑制。

圖2. 算法的實驗優(yōu)化和實現(xiàn)。

圖3. 不同分子勢能曲線的變分量子特征求解器VQE模擬。

圖4：隨著系統(tǒng)大小增加的資源估計和誤差分析。

總結展望

本文展示了在嘈雜的量子處理器上實現(xiàn)高效可靠的量子化學模擬的可能性，并為未來量子計算在化學領域的應用提供了重要的參考。首先，通過系統(tǒng)性的硬件優(yōu)化和錯誤緩解技術的整合，作者成功克服了量子計算中的關鍵挑戰(zhàn)，例如電路深度、測量成本和實驗誤差，從而實現(xiàn)了對H2和LiH等分子的高精度模擬。其次，作者通過實驗驗證了變分量子特征求解器（VQE）在解決化學問題中的有效性和可靠性，即使在受到噪聲影響的量子處理器上也能取得顯著進展。最后，作者提出了針對量子模擬中常見錯誤的有效解決方案，并探討了這些方法在不同類型誤差減輕方面的效果，為未來量子化學模擬的設計和優(yōu)化提供了重要的指導。

通過這些工作，作者為實現(xiàn)可擴展和高精度的量子化學模擬奠定了基礎，這對于解決傳統(tǒng)計算機在處理復雜分子時面臨的挑戰(zhàn)具有重要意義。此外，作者的研究也為未來量子計算在材料科學、藥物設計等領域的應用提供了新的思路和方法。

文獻信息

Guo, S., Sun, J., Qian, H. et al. Experimental quantum computational chemistry with optimized unitary coupled cluster ansatz. Nat. Phys. (2024). https://doi.org/10.1038/s4156702402530z

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