谷歌用於量子計算的 Willow 芯片
谷歌量子人工智能
Google Quantum AI 的研究人員使用他們的 Willow 量子計算機來解釋核磁共振 (NMR) 光譜數據，這是化學和生物學的一個主要研究領域。這項工作使量子計算機即將能夠有效地補充傳統的分子技術。
量子計算機最經過嚴格驗證的用途是破解密碼學，但當今的設備太小且容易出錯，無法運行解密算法。然而，他們可以取得進展的另一個領域是加快發現新藥物和材料的程序。這些過程本質上是量子的，因此它們非常適合量子計算機的功能。 哈特穆特·內文 和他在谷歌量子人工智能公司的同事們展示了一個例子，證明量子計算機“與自然說同一種語言”的能力可能是有價值的。
該團隊的工作重點是一種稱為量子回波的計算協議，以及如何將其應用於核磁共振，核磁共振用於確定分子結構的微觀細節。
量子回波背後的想法類似於蝴蝶效應，在這種現像中，微小的擾動會對其所屬的較大系統產生很大的影響，例如蝴蝶翅膀的扇動會導致遠處的風暴。研究人員在 Willow 的 103 量子位系統中使用了該技術的量子版本。
在實驗中，研究人員首先對其量子位應用特定的操作序列，以受控方式改變量子位的量子態。然後，他們選擇一個特定的量子位來擾動，它將充當“量子蝴蝶”，然後應用與之前相同的操作序列，但時間順序相反，例如倒帶錄像帶。最後，該團隊測量了量子位的量子特性，並對其進行分析以獲得有關整個系統的信息。
從最簡單的意義上講，實驗室中使用的核磁共振程序也是基於微小的擾動：這次他們用電磁波推動真實的分子，然後分析系統如何反應以確定原子的相對位置，就像分子尺一樣。。當量子位操作模仿這個過程時，量子位的數學分析也可以轉化為分子結構的細節。時間他進入量子計算領域讓我們有機會看到距離更遠的原子， 團隊成員說 湯姆·奧布萊恩。 “我們正在創造更長的分子線。”
該團隊估計，在典型的超級計算機上運行像 Quantum Echoes 這樣的協議將花費大約 13,000 倍的時間。他們的測試還表明，兩台不同的量子計算機都可以運行量子迴聲並產生相同的結果，而該團隊過去倡導的一些量子算法卻並非如此。奧布萊恩表示，這之所以成為可能，部分原因在於 Willow 硬件質量的快速提高，例如更低的量子位錯誤率。
但仍有待改進。當研究人員在兩個有機分子上使用 Willow 和量子回波時，他們一次只使用了最多 15 個量子位，計算結果仍然可以與傳統的非量子方法進行比較。換句話說，該團隊尚未證明 Willow 相對於經典同類產品具有明顯的實際優勢。量子回波的這種特殊應用的演示目前處於初步階段，尚未經過正式的同行評審過程。
“確定分子結構的問題極其重要且相關，”說 基思·弗拉圖斯 在 HQS Quantum Simulations 工作，這是一家開發量子算法的德國公司。他說，將核磁共振等現有技術與量子計算機上執行的計算聯繫起來是重要的一步，但目前該技術的用途可能僅限於高度專業化的生物學研究。
德賴斯·塞爾斯 來自紐約大學的教授表示，該團隊的實驗使用了更大的量子計算機，並檢查了比他和他的同事之前在量子計算機上模擬的更複雜的核磁共振協議和分子。 “量子模擬經常被認為是量子計算機最有前景的關鍵用例之一，但工業上有趣的例子很少……我認為從核磁共振等光譜數據進行模型推斷可能很有用，”他說。 “我認為我們還沒有做到這一點，但這樣的工作為繼續研究這個問題提供了動力。”
O’Brien 表示，隨著團隊不斷提高其量子位的性能，Quantum Echoes 在 NMR 中的應用將變得更加有用。考慮到越來越大的分子，它們犯的錯誤越少，在協議中可以同時使用的錯誤就越多。
與此同時，對量子計算機最佳用途的探索肯定還遠沒有結束。他說，從實驗的角度來看，在 Willow 上運行量子回波是非常令人興奮的，但它所支持的數學分析不太可能被廣泛使用。 庫爾特·馮·凱瑟林克 在倫敦國王學院。他說，在它能夠徹底超越核磁共振科學家幾十年來所做的事情之前，它的主要吸引力將是那些專注於量子系統基礎研究的理論物理學家。而且該協議可能並不完全面向未來——von Keyserlingk 表示，他已經對傳統計算機如何與其競爭有了想法。
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