藝術家創作的量子態化子反應的印象畫。
量子運算和量子信息處理技術是近年來備受關注的新興領域。在眾多具有重要意義的基本科學課題中，破解與原子、分子相關的“薛定諤方程式”（Schroedinger equation，簡稱SE）是化學、物理及其相關領域中的終極研究目標之一。SE是非相對論量子力學的第一原理，其解被稱為“波函數”（wave functions），它能夠提供原子、分子內部電子的任何信息，從而對它們的物理化學特性以及化學反應作出預測。
據美國“物理學網”（phys.org）1月2日消息稱，《美國化學學會·核心科學》（ACS Central Science）雜誌12月31日刊發的一篇研究論文介紹了日本大阪市立大學（Osaka City University，簡稱OCU）K. Sugisaki博士與K. Sato教授、T. Takui教授的研究團隊一起發現了一種新型量子算法，從而讓人類第一次能夠執行“全組態相互作用”（Full-CI）的運算。這一運算手段適用於那些不含規模呈指數級增長的組合爆炸的化學反應——Full-CI能夠求得給出SE的精確數值解，而這即使對於超級計算機來說也是一個棘手的技術難題。這種新型量子算法的意義在於有助於加速實現量子計算機在實際中的應用。
根據該研究小組的介紹，量子計算機可以追溯到美國物理學家理查德·費曼（Richard Phillips Feynman）1982年提出的建議，即量子力學可以通過計算機本身來模擬，而該計算機本身是由遵循量子力學定律的量子力學元素所構成的。20多年後，時任美國哈佛大學理論化學教授的艾倫·安斯普魯古茲克（Alan Aspuru-Guzik）和同事們提出了一種量子算法能夠計算原子和分子能量在非指數級增長條件下基於反應系統變量個數的圖論多項式增量，這是利用量子計算機進行量子化學運算的一個重大技術突破。
然而，當科學家將安斯普魯古茲克的量子算法應用於量子計算機上的全組態相互作用運算時，條件之一是要求具有接近於該薛定諤方程式本身精確波函數的良好的近似波函數。否則，不準確的波函數則需要數量極其巨大的重複運算步驟才能求得精確的波函數，從而掩蓋抵消了量子計算的優勢。對於化學反應的分析來說，這個問題變得極其難以攻克，因為之前其他科學家提出的量子算法不可避免地會涉及到許多化學鍵的離解和形成，而化學鍵分離過程中電子沒有參與化學鍵的形成，從而產生許多不參與化學鍵過程的電子，所以化學反應具有多組態/構型的特性。這也就成為了量子科學和化學兩個交叉領域中最為棘手的難題之一，也就讓量子算法變得難以應用。該OCU研究小組的突破在於成功應用了一種新型的量子算法，該算法能在圖論多項式運算時間內生成一種被稱為“組態函數”（configuration state functions，簡稱CSFs）的特定波函數。這一成果意味著人類已經突破了這一所謂的“量子困境”。
該研究小組在論文中寫道：“這是第一個成功實施一種實用的量子算法的範例，這一算法能夠在配備了相當數量的量子位元的量子計算機上，實現旨在預測化學反應路徑的量子化學運算。這一技術的實現為在量子計算機上進行的量子化學運算提供了支持，而這些運算的實際應用範圍橫跨了化學和材料科學之間多個重要領域。”
編譯：朱明逸
審稿：三水
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