潘建伟院士领衔！中科大/北大，最新成果登顶Nature Physics！

研究背景

随着量子计算技术的发展，量子计算化学作为其潜在应用之一引起了广泛关注。在这一领域，科学家们致力于利用量子计算机解决分子结构和反应等复杂化学问题。其中，变分量子特征求解器（VQE）等混合量子经典计算方法被认为是解决量子化学问题的有前景的途径。

然而，尽管理论上存在着这些方法的潜力，实际应用却面临着严峻的挑战。首先，由于分子系统的复杂性，实际计算所需的量子资源过于庞大，如门数量、测量数量和总运行时间。其次，量子处理器上的噪声和误差问题也对实验结果的准确性和可靠性构成了严重挑战。这些困难使得目前的量子化学实验往往局限于小规模或具有限模型的验证性演示，与理论上的潜力相距甚远。

成果简介

为了解决这一问题，中国科学技术大学朱晓波教授，潘建伟院士，北京大学袁骁教授等人在Nature Physics期刊上发表了题为“Experimental quantum computational chemistry with optimized unitary coupled cluster ansatz”的最新论文。本研究着眼于提高量子计算化学模拟的可靠性和可扩展性。首先，研究团队选择了变分量子特征求解器作为解决方案的基础，并针对电子结构计算开发了优化的单位耦合簇模型。其次，他们针对量子处理器上的噪声和误差进行了系统性的优化，包括硬件结构的改进、基本操作的校准以及量子错误缓解协议的设计与实现。通过这些措施，研究团队成功地将实验中的量子计算化学模拟扩展到了12比特，并将计算精度提高了两个数量级。

研究亮点

（1）实验首次在嘈杂的量子处理器上实现了变分量子特征求解器（VQE）的H2、LiH和F2模拟。

通过选择对称保持和主导项，开发了优化的幺正耦合簇（UCC）模型。
引入了基于UCC型模型中基本操作的校准实现，以提高电路精度。

（2）实验结果表明，通过系统硬件增强和错误缓解技术的整合，取得了以下改进：

实现了高保真度的并行门，显著抑制了串扰。
通过优化读出参数，显著抑制了测量中的相关读出误差。
设计并实现了四种量子错误缓解（QEM）协议，减轻退相干、读出和算法误差。
实现了两个数量级的计算精度提高，使得作者能够将经过错误缓解的模拟扩展到12比特。

图文解读

图1：在超导量子处理器上，变分量子特征求解器variational quantum eigensolver ，VQE示意图，显示了器件、量子电路、测量和误差抑制。

图2. 算法的实验优化和实现。

图3. 不同分子势能曲线的变分量子特征求解器VQE模拟。

图4：随着系统大小增加的资源估计和误差分析。

总结展望

本文展示了在嘈杂的量子处理器上实现高效可靠的量子化学模拟的可能性，并为未来量子计算在化学领域的应用提供了重要的参考。首先，通过系统性的硬件优化和错误缓解技术的整合，作者成功克服了量子计算中的关键挑战，例如电路深度、测量成本和实验误差，从而实现了对H2和LiH等分子的高精度模拟。其次，作者通过实验验证了变分量子特征求解器（VQE）在解决化学问题中的有效性和可靠性，即使在受到噪声影响的量子处理器上也能取得显著进展。最后，作者提出了针对量子模拟中常见错误的有效解决方案，并探讨了这些方法在不同类型误差减轻方面的效果，为未来量子化学模拟的设计和优化提供了重要的指导。

通过这些工作，作者为实现可扩展和高精度的量子化学模拟奠定了基础，这对于解决传统计算机在处理复杂分子时面临的挑战具有重要意义。此外，作者的研究也为未来量子计算在材料科学、药物设计等领域的应用提供了新的思路和方法。

文献信息

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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