艺术家创作的量子态化子反应的印象画。
量子运算和量子信息处理技术是近年来备受关注的新兴领域。在众多具有重要意义的基本科学课题中，破解与原子、分子相关的“薛定谔方程式”（Schroedinger equation，简称SE）是化学、物理及其相关领域中的终极研究目标之一。SE是非相对论量子力学的第一原理，其解被称为“波函数”（wave functions），它能够提供原子、分子内部电子的任何信息，从而对它们的物理化学特性以及化学反应作出预测。
据美国“物理学网”（phys.org）1月2日消息称，《美国化学学会·核心科学》（ACS Central Science）杂志12月31日刊发的一篇研究论文介绍了日本大阪市立大学（Osaka City University，简称OCU）K. Sugisaki博士与K. Sato教授、T. Takui教授的研究团队一起发现了一种新型量子算法，从而让人类第一次能够执行“全组态相互作用”（Full-CI）的运算。这一运算手段适用于那些不含规模呈指数级增长的组合爆炸的化学反应——Full-CI能够求得给出SE的精确数值解，而这即使对于超级计算机来说也是一个棘手的技术难题。这种新型量子算法的意义在于有助于加速实现量子计算机在实际中的应用。
根据该研究小组的介绍，量子计算机可以追溯到美国物理学家理查德·费曼（Richard Phillips Feynman）1982年提出的建议，即量子力学可以通过计算机本身来模拟，而该计算机本身是由遵循量子力学定律的量子力学元素所构成的。20多年后，时任美国哈佛大学理论化学教授的艾伦·安斯普鲁古兹克（Alan Aspuru-Guzik）和同事们提出了一种量子算法能够计算原子和分子能量在非指数级增长条件下基于反应系统变量个数的图论多项式增量，这是利用量子计算机进行量子化学运算的一个重大技术突破。
然而，当科学家将安斯普鲁古兹克的量子算法应用于量子计算机上的全组态相互作用运算时，条件之一是要求具有接近于该薛定谔方程式本身精确波函数的良好的近似波函数。否则，不准确的波函数则需要数量极其巨大的重复运算步骤才能求得精确的波函数，从而掩盖抵消了量子计算的优势。对于化学反应的分析来说，这个问题变得极其难以攻克，因为之前其他科学家提出的量子算法不可避免地会涉及到许多化学键的离解和形成，而化学键分离过程中电子没有参与化学键的形成，从而产生许多不参与化学键过程的电子，所以化学反应具有多组态/构型的特性。这也就成为了量子科学和化学两个交叉领域中最为棘手的难题之一，也就让量子算法变得难以应用。该OCU研究小组的突破在于成功应用了一种新型的量子算法，该算法能在图论多项式运算时间内生成一种被称为“组态函数”（configuration state functions，简称CSFs）的特定波函数。这一成果意味着人类已经突破了这一所谓的“量子困境”。
该研究小组在论文中写道：“这是第一个成功实施一种实用的量子算法的范例，这一算法能够在配备了相当数量的量子位元的量子计算机上，实现旨在预测化学反应路径的量子化学运算。这一技术的实现为在量子计算机上进行的量子化学运算提供了支持，而这些运算的实际应用范围横跨了化学和材料科学之间多个重要领域。”
编译：朱明逸
审稿：三水
责编：南熙
