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※ 本文為 MindOcean 轉寄自 ptt.cc 更新時間: 2020-09-02 20:54:46
看板 Gossiping
作者 jackliao1990 (jack)
標題 Fw: [資訊] Google實現量子化學模擬，迄今為止全球首例
時間 Tue Sep  1 23:17:35 2020

※ [本文轉錄自 Chemistry 看板 #1VJcMfpK ]

作者: jackliao1990 (jack) 看板: Chemistry
時間: Tue Sep  1 23:15:35 2020

https://technews.tw/2020/09/01/google-realizes-quantum-chemical-simulation/
Google 實現量子化學模擬，迄今為止全球首例 | TechNews 科技新報
[圖]
量子計算發現了新大陸！8 月 27 日，Google 量子計算研究團隊宣布其使用量子電腦對化學反應路徑進行建模取得突破性進展，這是迄今為止首次、也是最大規模的化學量子計算。 其發表的題為《超導量子位元量子電腦的 Hartree-Fock 近似模擬》（Hartree-Fock on a Supe... ...

 

量子計算發現了新大陸！8 月 27 日，Google 量子計算研究團隊宣布其使用量子電腦對
化學反應路徑進行建模取得突破性進展，這是迄今為止首次、也是最大規模的化學量子計
算。


其發表的題為《超導量子位元量子電腦的 Hartree-Fock 近似模擬》（Hartree-Fock on
a Superconducting Qubit Quantum Computer）的成果論文，當天便登上了《自然》雜誌
封面。


量子計算模擬化學反應

值得一提的是，這已經是 Google 第二次因量子研究登上《自然》雜誌封面了。

第一次是在去年 10 月，Google 發表重量級量子優越性研究成果。在這篇的論文中，
Google 用 54 個量子位元的數組達到了量子優越性，並在 200 秒內完成了規定操作，與
此相同的運算在當時世界最大的超算 summit 上也需要 10,000 年才能完成。

可以說，此項研究在量子計算的歷史上將具有劃時代的意義。

而在這項研究中發揮關鍵作用的 Sycamore 處理器，也正是本次化學實驗中量子電腦所使
用的處理器。

之所以採用量子電腦模擬，是由於原子和分子受量子力學系統控制，可以通過量子位來儲
存資訊並執行計算，因此有望成為精確模擬的最佳方法。

具體而言，研究人員使用了噪聲魯棒的變分量子特徵求解演算法 VQE（variational
quantum eigensolver）直接模擬了化學機制。

在反應中，2 個氮原子和 2 個氫原子組成了二氮烯分子。其過程是，氫原子在氮原子周
圍不斷移動形成了不同的結構。經過檢測發現，量子模擬與傳統計算機上執行的模擬結果
基本吻合，由此可以確定量子模擬的有效性。


除此之外，整個 Hartree-Fock 運算方程近似於一個真實化學系統，它是量子電腦上傳統
化學計算的 2 倍，並且包含了 10 倍的量子門操作。

雖然氮氫反應是較為基礎的化學反應，甚至不需要配備量子電腦來模擬就可以輕鬆得出結
果，但研究人員 Babbush 介紹，此項研究驗證了當前量子電腦開發的演算法可以達到實
驗預測所需的精度，開拓了一條通往量子化學系統逼真的模擬路徑。


接下來，他們會將量子模擬的演算法擴大到更複雜更大分子的化學反應中，而這會非常容
易，只需要更多的量子位和較小的演算法調整即可。他強調稱，

"未來我們甚至可以使用量子模擬來開發新的化學物質。"

VQE 演算法減少量子誤差

使用量子電腦模擬分子系統的基態能量存在很多方法，而在本次研究中，研究人員專注於
量子演算法「構件塊」（building block）或電路元圖，並透過 VQE 完善其性能。

在傳統設置中，該電路元圖等效於 Hartree-Fock 模型，是優化版化學模擬演算法的重要
電路組件。該組件的魯棒誤差抑制對於精確模擬至關重要。

量子計算中的誤差是由於量子電路與環境的相互作用而產生的（即使很小的溫差也可能導
致量子位元誤差）。

而無論是在量子位元還是其他方面產生的誤差，在模擬化學反應時，量子演算法必須以較
低的成本解決掉這些誤差。就像實現量子糾錯碼。

解決誤差最流行的方法是使用 VQE。實驗中，研究人員選用了幾年前開發的 VQE，它將量
子處理器看做神經網路，可以透過最小化成本函數來優化量子電路的參數，並解決嘈雜的
量子邏輯。


簡言之，就像傳統神經網路可以通過優化容忍數據中的缺陷一樣，VQE 可以透過動態調整
量子電路參數解決量子計算過程中產生的誤差。

Sycamore 處理器實現高精準度

如上文所說，本次研究的量子電腦採用的是 Sycamore 處理器。

本次化學模擬實驗需要更少的量子位元，但是需要更高的量子門保真度來解決化學鍵問題
。這導致了新的、有針對性的校準技術的發展，該技術可以最佳地放大誤差，進而便於對
其進行診斷和糾正。


其誤差成因可能來源於量子硬體堆棧中。

Sycamore 具有 54 比特，由 140 多個單獨可調的元件組成，每個元件都由高速模擬電脈
衝控制。要實現對整個設備的精確控制，需要對 2,000 多個控制參數進行微調，即使這
些參數中的微小誤差也可以迅速擴大總計算中的誤差。


為了準確地控制設備，研究人員使用了自動化的框架，該框架將控制問題映射到具有數千
個節點的圖形上，每個節點代表一個物理實驗以確定一個未知參數。遍歷此圖可從設備的
先驗知識轉移到高保真量子處理器，並且可以在不到一天時間內完成。


最終，這些技術與演算法誤差緩解技術一起減少了錯誤數量級。如下圖：

https://img.technews.tw/wp-content/up...rogen-atoms-e1598846159900.jpg
[圖]

上圖為氫原子線性鏈的能量隨著每個原子之間的鍵距增加而增加。其中，實線是使用傳統
電腦進行的 Hartree-Fock 模擬，而點是使用 Sycamore 處理器進行計算的。


https://img.technews.tw/wp-content/up...th-Sycamore-e1598846163180.jpg
[圖]

上圖為使用 Sycamore 計算的每個點的 2 個準確性度量（失真和平均絕對誤差）。「Raw
」是來自 Sycamore 的原始誤差。「 + PS」是來自校正電子數量的一種誤差。「
+Puriflication」是一種針對正確狀態緩解誤差的措施。「 + VQE」是消除所有誤差後的
優化結果。

開啟化學計算藍圖

Google 首席執行長桑德爾· 皮查伊（Sundar Pichai）第一時間在 Twitter 上表達了自
己喜悅的心情，他稱：

"此次在量子化學領域的最新成果是迄今為止最大的化學量子計算，也是第一次使用量
子電腦對化學反應路徑進行建模。"

電子能量的量子計算可以打破困擾多粒子量子力學的維數詛咒，換句話說，通用量子電腦
具有從根本上改變計算化學和材料科學的潛力，但在這些領域中，強電子相關性對傳統電
子結構方法帶來了阻礙。


而本次研究利用 Sycamore 處理器、VQE 模型以及誤差緩解策略為量子化學系統開闢了一
條新的路徑。透過對多達 12 個量子位元的仿真測試，確保了化學反應精度，同時為擴展
到更大更複雜的化學系統提供了可能性。


研究團隊表示，本次實驗可以成為量子處理器實現化學計算的藍圖，以及物理模擬優勢的
起點。更重要的是，未來已知如何以一種簡單的方式修改本實驗中使用的量子電路，使得
它們不再有效地可仿真，這將為改進的量子演算法和應用確定新的方向。


https://arxiv.org/pdf/2004.04174.pdf
https://science.sciencemag.org/content/369/6507/1084

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※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc), 來自: 123.192.157.138 (臺灣)
※ 文章代碼(AID): #1VJcMfpK (Chemistry)
※ 文章網址: https://www.ptt.cc/bbs/Chemistry/M.1598973353.A.CD4.html
推 syldsk: 鍵盤化學家1F 09/01 23:18
→ KittyDog: 當年我小學下課回家偶爾也會做這個模擬2F 09/01 23:19
→ calance: 嗯嗯3F 09/01 23:20
※ 編輯: jackliao1990 (123.192.157.138 臺灣), 09/01/2020 23:22:19
推 mg14999: 我早就會操作了4F 09/01 23:21
推 shala: 這就是推動時代的科技，百年後的世界將截然不同5F 09/01 23:21
→ ArgusX: 跟我想的差不多6F 09/01 23:22
→ Aerci: 恩恩 看完論文了  覺得第12頁那邊很有意思7F 09/01 23:22
推 myloso: 所以結論是什麼8F 09/01 23:25
→ danieljou: 學生科展以前本來也想寫這個9F 09/01 23:25
推 TomChu: 終於實現了 果然跟我想的差不多10F 09/01 23:26
推 Roger5566: 我上次就用任天堂模擬器跑過了，這次google時間有縮短11F 09/01 23:27
→ Roger5566: 一點還算厲害
推 sunnyyoung: 媽的全都看不懂13F 09/01 23:27
→ HANAXALICE …
推 HANAXALICE: 歧異點出現了，人類又要有重大改變了14F 09/01 23:28
→ HANAXALICE: 看來我來到這個時代的任務暫時結束了
推 cattgirl: 黑洞16F 09/01 23:30
→ diyaworld …
推 diyaworld: 話說支共吹了好幾年的量子計算機，現在完全消失了17F 09/01 23:32
推 dragonjj: 我看不懂！18F 09/01 23:35
推 allenc38: 物化組死去 學一堆算法/基組 量子電腦直接ab initio19F 09/01 23:38
推 s8402019: 完全不懂QQ20F 09/01 23:40
推 MADAOTW: 就一次跑2^54次運算21F 09/01 23:47
推 lsacred: 釩金屬要出現了22F 09/01 23:50
推 scaleprince: 帥喔23F 09/01 23:51
推 j7862278622: 恩恩 跟我想的依樣24F 09/01 23:51
推 rainHime: 研究人員使用了噪聲魯棒的變分量子特徵求解演算法....25F 09/01 23:53
→ rainHime: 噪聲魯棒聽起來很不妙
推 dinotea: 等可以應用在人造腦的時候再說27F 09/02 00:01
推 WTFTank: 嗯嗯 說的沒錯 恩嗯 這個好 嗯嗯 跟我想的一樣28F 09/02 00:03
推 dinotea: 不然做個蟻王來練功29F 09/02 00:03
推 joeyoyo83: 嗯 好30F 09/02 00:04
→ Amushroom: 滿滿的中文，但看不懂意思31F 09/02 00:04
推 lavign: Quantum + NP-Complete = No problem32F 09/02 00:06
推 Aequanimitas: 感人33F 09/02 00:08
→ felixr0123: g家黑科技 那天出仿生人也不意外了34F 09/02 00:10
推 movieghost: 看到google大神 拜就對了35F 09/02 00:12
推 z1976: 我只看懂噪聲魯棒36F 09/02 00:14
推 xeriok40364: 恩恩 我之前腦內模擬的應該也差不多37F 09/02 00:20
推 ru8zj312: 量子電腦不是NP COMPLETE吧38F 09/02 00:22
推 lavign: 是量子電腦的算力可以解決NP-Complete39F 09/02 00:28
推 mystage: 就當成多體運動來解吧，還沒看內容，先猜40F 09/02 00:32
推 coburn: 癌症用藥開發可以加速非常多41F 09/02 01:01
噓 wario2014: 谷歌大哥，先把youtube弄好好嗎，不要一直轉圈圈42F 09/02 01:02
推 kis28519: 推 看不懂43F 09/02 01:09
推 peter5548: 猛44F 09/02 01:52
推 md3q6e: 量子電腦越來越像大腦了45F 09/02 02:12
推 wtfconk: 簡言之就是個量子糾纏46F 09/02 02:14
推 sundayfookme: 預測未來跟過去之日不遠啦47F 09/02 02:17
推 md3q6e: 用演算法直接抓答案吧 就像巧可老師翻譯櫻語一樣48F 09/02 02:23
→ md3q6e: https://youtu.be/Vu3BsNERzoU
推 Zante: 有人可以簡化一下重點是什麼嗎50F 09/02 02:46
推 kichitai: 我看不懂  好厲害的感覺51F 09/02 03:23
推 xkiller1900: 先推52F 09/02 04:30
推 daye2012: 不懂可以問我， 我對這個太熟了53F 09/02 07:04
推 Car1osCorrea: 重點是用量子電腦達成模擬化學反應54F 09/02 07:21
→ Car1osCorrea: HF是基礎模擬程式，VQE是針對不同原子做的參數微調
→ Car1osCorrea: HF+VQE模擬化學反應目前電腦都做得到
推 pipiayin: 恩恩 完全看不懂57F 09/02 07:42
推 p2p8ppp: 就是以後不用做實驗了？用電腦跑模擬就好？58F 09/02 08:26
推 hydraz: 天啊 終於成功了 跟我想的方法一樣 就是要這樣做59F 09/02 08:41
推 TinyB: 噪聲魯棒是什麼？很魯嗎60F 09/02 11:20
推 tn00371115: wtf61F 09/02 14:05
→ tn00371115: 10,000年變200秒
推 smalldata: 鍵盤化學63F 09/02 15:53

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