量子微型處理器晶片實現分子譜模擬計算

量子模擬是科學家模擬和研究各種傳統電腦難以處理的復雜系統，包括金融建模、網絡安全、藥物研發、人工智能及機器學習等。其中，探索分子振動譜對理解分子設計和分析中的分子特性尤為關鍵，然而，這一直是傳統超級電腦難以有效解決的長期運算難題。

盡管研究人員正努力開發模擬分子振動譜的量子電腦和演算法，但受限于準確性和計算資源等問題，目前僅限于簡單的分子結構。

近日，記者從香港理工大學（簡稱“港理工”）了解到，該校研究團隊成功研發出16位量子比特半導體微型處理器晶片，為模擬大型復雜分子譜提供全新的解決方案。該項研究成果發表于《自然—通訊》。該研究為解決復雜的量子化學問題創造了條件，也為量子計算應用帶來了新的突破。

研究團隊開發16位量子比特半導體微型處理器晶片 港理工供圖

該研究中，科研人員利用線性光子網絡及壓縮真空量子光源來模擬分子振動譜。在單個晶片上制造和集成了16位量子微處理晶片。此外，研究團隊還開發了用于量子光子微型處理器晶片與控制模組的光電熱封裝、驅動軟件及用戶介面，以及可程式化的底層量子演算法的一套完整系統。開發的量子電腦系統可應用不同計算模型。

量子微型處理器可用于處理復雜任務，例如更加快捷、準確地模擬大型蛋白質結構或優化分子反應。論文第一作者、港理工博士后朱慧慧表示：“我們的方法可以突破傳統限制，實現早期的實用分子模擬，有望在相關的量子化學應用中實現量子加速。”

量子技術在材料科學、化學及凝聚體物理學等科學領域非常重要。量子微型處理器晶片是量子電腦的核心技術，為量子信息處理提供不可替代的技術方案。

該研究成果在解決分子對接問題以及使用圖形分類等量子機器學習技術方面具有廣闊的應用前景。論文通訊作者、港理大電機及電子工程學系量子工程與科學講座教授劉愛群說：“我們的研究為解決實際的量子模擬技術開辟了新途徑。下一步，我們將擴大微型處理器的規模，以應對更復雜的應用。”

該研究成功解決了使用量子計算微型處理器進行分子譜儀模擬的難題，推動微型處理器及量子計算應用發展。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-024-50060-2