如果你知道组成一个特定分子或固体材料的原子，这些原子之间的相互作用可以通过计算确定，通过解决量子力学方程--至少，如果分子小而简单。然而，解决这些方程对于从材料工程到药物设计等领域至关重要，但对于复杂的分子和材料来说，需要的计算时间太长了。

现在，美国能源部（DOE）阿贡国家实验室和芝加哥大学普利兹克分子工程学院（PME）和化学系的研究人员已经探索了使用量子计算机解决这些电子结构的可能性。

研究人员开发了一种新的混合模拟过程，使用量子计算机解决电子结构问题，有可能使量子计算机在未来处理更复杂的化学结构。

这项研究使用了新的计算方法的组合，在线发表在《化学理论与计算》杂志上。它得到了Q-NEXT的支持，这是一个由阿贡领导的美国能源部国家量子信息科学研究中心，以及中西部计算材料综合中心（MICCoM）。

Giulia Galli说："这是朝着使用量子计算机来解决计算化学中的挑战性问题迈出的令人兴奋的一步，"他与阿贡的工作人员科学家和芝加哥大学先进科学和工程联合会（CASE）的成员Marco Govoni一起领导了这项研究。

计算方面的挑战

预测一种材料的电子结构需要解决决定电子如何相互作用的复杂方程，以及模拟各种可能的结构在其整体能量水平上如何相互比较。

与以二进制比特存储信息的传统计算机不同，量子计算机使用可存在于叠加状态的量子比特，让它们更容易和快速地解决某些问题。计算化学家们一直在争论量子计算机是否以及何时能够最终比传统计算机更好地解决复杂材料的电子结构问题。然而，今天的量子计算机仍然相对规模较小，并会产生噪音数据。

使用量子计算机预测复杂材料的电子结构

Giulia Galli教授和其他研究人员探索了使用量子计算机预测复杂材料的电子结构的可能性，这是从材料工程到药物设计等领域的一个进步。

即使有这些弱点，加利和她的同事们想知道他们是否仍能在创建量子计算机上解决电子结构问题所需的基础量子计算方法方面取得进展。

"我们真正想解决的问题是，在目前的量子计算机状态下，有可能做什么，"Govoni说。"我们提出了这个问题： 即使量子计算机的结果是有噪音的，它们是否仍然可以用来解决材料科学中有趣的问题？"

一个迭代过程

研究人员设计了一个混合模拟过程，他们使用的是IBM量子计算机。在他们的方法中，少量的量子比特--四到六个之间--执行部分计算，然后用经典计算机进一步处理结果。

"我们设计了一个迭代的计算过程，利用了量子计算机和传统计算机的优势，"加利小组的研究生、新论文的第一作者Benchen Huang说。

经过几次迭代，模拟过程能够提供固态材料中几个自旋缺陷的正确电子结构。此外，该团队还开发了一种新的错误缓解方法，以帮助控制量子计算机产生的固有噪声，并确保结果的准确性。

对未来的提示

就目前而言，使用新的量子计算方法解决的电子结构已经可以用常规计算机来解决。因此，长期以来关于量子计算机在解决电子结构问题上是否能优于经典计算机的争论还没有解决。

然而，新方法提供的结果为量子计算机解决更复杂的化学结构铺平了道路。

Huang说："当我们将其扩大到100个量子比特，而不是4个或6个时，我们认为我们可能比传统计算机更有优势。但只有时间能证明这一点"。

该研究小组计划继续改进和扩大他们的方法，以及用它来解决不同类型的电子问题，如有溶剂存在的分子，以及处于激发状态的分子和材料。