20世紀80年代，諾獎得主Richard Feynman（理查德·費曼）首次提出通過可控的量子系統模擬化學和物理學中的量子力學問題。費曼認為：“如果你想要模擬自然界，最好通過量子力學的方法，但是這并不容易?！?/span>
雖然不易，但是值得！
谷歌量子霸權
四十多年來，全球科學家朝著這個偉大的目標在理論和實驗方面都取得了實質性的進展，特別是超導量子位的快速發展。2019年，Google的Sycamore量子處理器已經宣布實現了量子霸權，這種量子霸權甚至比最大的經典超級計算機都能更有效地從隨機量子電路的輸出中采樣。
2019年10月，谷歌量子計算機登上Nature封面
在2019年10月的一篇Nature封面論文中，Google AI 量子實驗室展示了53比特Sycamore量子處理器的“量子無敵性”。量子計算機的計算能力可能比其經典計算機更高，但下一代量子計算機是否能夠解決經典體系中具有實際意義的棘手問題，仍然未可知。
今日，谷歌量子計算機登上Science封面
有鑒于此，谷歌AI量子實驗室通過在超導處理器上進行經典的化學問題來探索量子計算機是否能夠解決經典體系中的實際難題，在實驗上實現了分子級電子能量的Hartree-Fock計算。
該研究對于化學領域的催化劑設計和新藥開發意義重大，不僅具有學術價值，也將在商業領域帶來全新的沖擊。盡管所執行的計算也可以在經典計算機上運行，但該實驗構建了許多用于量子化學模擬的關鍵構建模塊，為實現針對化學問題的量子計算鋪平了道路。
VQE
早在2005年，加州大學伯克利分校Alán Aspuru-Guzik等人首次提出用于量子計算化學的量子算法，隨后科學家繼續提出了一系列改進來降低計算成本。其中，影響力最大的一個改進在于變分量子本征求解器（VQE），它通過利用經典協處理器減輕了量子處理器的負擔。
但是，VQE是否可以解決電子結構問題的經典棘手問題，仍然懸而未決。因為之前的研究中，VQE實驗雖然已經實現了多達6個量子位的電子結構計算，但是經典實際問題的計算可能需要大約100量子位。而且，隨著問題大小的增加，實現量子算法所需的量子電路深度也隨之增加。即使在擴大處理器規模的同時保持了量子位的質量，具有更深電路的更大處理器也會導致計算錯誤率增加。
2005年，第一次提出用于量子計算化學的量子算法
量子計算的準確性
錯誤的累積是否對VQE造成致命傷害？這是量子計算領域最緊迫而又懸而未決的問題之一。
谷歌AI實驗室的研究人員通過使用6到12個量子位的VQE實驗來解決這些懸而未決的問題。他們決定研究采用Hartree-Fock方法計算氫鏈的結合能和二氮烯的異構化。這主要是考慮到Hartree-Fock方法為電子結構計算提供了近似的解決方案，并且是經典的易于計算的方法，所以通常用作解決電子結構問題的量子計算方法的第一步。
這種VQE實驗展示了實現大規模VQE的許多關鍵模塊，包括電子狀態準備，用于任何單粒子和雙粒子還原密度矩陣元素的哈密頓量測量，兩種誤差減少技術以及外環經典優化。這項工作使先前的研究成功地擴展到了量子計算化學領域，為將來針對經典體系中難處理系統的VQE實驗奠定了良好的基礎。
這項研究最重要的部分，就是發現了為量子處理器定制算法的必要性以及減少錯誤技術的重要性，并提出了對應的方案。研究人員使用最新的技術闡明了如何使用受限的硬件拓撲實現更復雜的計算，所提出的錯誤緩解技術有效地將原始狀態保真度提高到> 99％，大約增加了兩個數量級。
圖1. 3種量子電路
圖2. VQE（變分量子本征解算器）
遺留問題
1）量子計算中是否存在噪聲，尚未可知。如何更好地克服噪音而獲得更準確的結果，是今后發展的重要方向之一。在這項工作中使用的技術專門用于量子模擬，通過局部密度矩陣信息和鐵離子系統的N可表示性條件來利用粒子守恒。對于具有72個2比特比特門的12比特比特計算，組合的錯誤緩解技術有效地將原始狀態保真度提高到> 99％，這表示大約增加了兩個數量級。
2）在解決化學問題方面，量子計算機是否能夠超越經典的超級計算機？還需要在理論和實驗上得到更多的驗證。
參考文獻：
1. Google AI Quantum and Collaborators. Hartree-Fock on a superconducting qubit quantum computer. Science 2020, 369, 1084-1089.
https://science.sciencemag.org/content/369/6507/1084
2. Xiao Yuan. A quantum-computing advantage for chemistry. Science 2020, 369, 1054-10855.
https://science.sciencemag.org/content/369/6507/1054
