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壮观的进步量子开辟新的迷人观点，尤其是在分子模拟领域。最近，研究人员开发了新的方法来模拟量子计算机上的小分子（例如催化剂）的电子。
这种方法可以改变我们在基本层面上理解和使用化学反应的方式。尽管量子计算机科学的想法并不是什么新鲜事物，但它解决了混凝土问题的实践，例如催化剂的模拟，标志着很大的进步。但是，当今科学技术的这些进步真正意味着什么？本文探讨了最新发现及其改变我们的化学研究方法的潜力。
了解速度的需求
对计算速度的追求是量子计算机科学研究的核心。量子计算机有望比传统同行更快地解决某些问题。最常见的问题之一是：它们什么时候真的有用？答案通常很细微，因为这取决于我们要解决的问题的类型。一些更简单的应用程序将较早实现，而另一些更为复杂的应用程序将需要在设备方面取得更多的进步。最容易获得的问题之一是涉及某些简单催化剂的行为的建模。
这些催化剂的电子遵守量子力学定律，这使他们使用量子计算机更容易探索。但是，了解这些模拟的真正起作用以及哪些材料需求是一个挑战。研究人员通常估计将需要大约100个校正错误量子A进行这些模拟。最近，在自然物理学上发表的一篇文章描述了如何模拟简单催化剂的某些方面，并提出了一种可以大大简化计算的方法。这些算法改进意味着我们可能不必等待错误才能纠正有用的模拟。
旋转城市
催化剂的特性很大程度上取决于其电子的行为，这取决于它们占据的轨道和旋转的组合。当他们与伴侣共享轨道时，旋转会反对和中和。但是，许多化学过程涉及不合适的电子，裸露的旋转。这些旋转会影响它们可以占据的能级，并可以与分子中未配对的其他旋转相互作用。
自旋是一种量子特性，使其成为复杂的模型。分子越有无薪旋转，相互作用就越复杂。预测分子作为催化剂的旋转可以迅速成为计算拼图。但是，由于分子的旋转形成量子系统，因此可以模拟它们在其他量子系统上的行为。许多量子计算机方法，包括使用被困离子或中性原子的方法，它们以旋转形式存储Qubits。然而，随着时间的流逝，完全模拟了分子电子的相互作用，需要许多Qubits和一系列SO的量子门。
量子魔术
为了了解电子相互作用的复杂性，研究人员开始使用常规计算机简化量子设备的问题。对于大多数催化剂，例如在极端条件下的行为。相反，重点放在系统的描述上汉密尔顿，专注于低能量的无薪旋转的行为。
然后将该哈密顿量映射到量子处理器上，一组链接的量子位用于旋转每个电子的行为。该系统足够通用，可以应用于任何量子材料，并且可以随着时间的流逝而发展，而真实的系统也是如此。研究人员发现，使用基于中性原子的量子计算机可以获得更好的性能。典型的量子算法假定，所有称为门的计算操作均使用单个量子或对量子对进行。但是，由于可以移动中性原子，因此它们的分组数量越大，可以使一小部分原子执行门。这些多频门使得需要比限于两个量子位的门更有效地执行所需的特定计算。
速度提高，但挑战仍然存在
研究人员优化量子计算机上分子的模拟https://t.co/k6paynkqv5
- 丹尼尔·洛佩兹（@4danlopez）2025年1月24日
这种方法的结果是，操作更快，需要更少的门。这是至关重要的，因为量子设备的错误会根据时间和操作数量增加。研究人员使用这种方法探索化合物MN4O5CA，该化合物在光合作用中起着关键作用。多亏了这种方法，他们设法计算了所谓的旋转刻度，或最低能量的列表，即电子可以占据。这些状态之间的能量差异对应于它们可以吸收或发射的光的波长，从而定义了分子的光谱。
但是，我们尚未完全准备在当前的量子计算机上执行此系统，因为错误率仍然太高。但是，由于执行此类算法所需的操作的有效性，错误率无需在系统可行之前就删除很多。出现误差的主要决定因素是模拟的持续时间和此期间进行的测量数量。
量子计算机科学的未来
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最近在量子计算机科学方面进展的含义远远超出了分子化学中的简单应用。这些计算机与我们到目前为止开发的其他形式的计算根本不同。他们可以执行传统算法，以便进行操作以获得结果。但是，作为量子系统，它们与每种新一代设备变得更加复杂，这使它们特别适合模拟其他量子系统。我们想解决的许多复杂问题与量子系统有关。
从某种意义上说，我们才刚刚开始探索量子计算机的潜力。直到最近，还有许多假设。现在看来，我们正在黎明，将其中之一用于潜在有用的计算。这意味着，越来越多的人将开始考虑解决问题的巧妙方法，包括在这种情况下，将设备以其设计师甚至可能没有设想的方式使用。
Quantum它被定位为一种革命性的技术，在许多科学和技术领域都有希望的进步。关于分子模拟的最新发现只是对这项技术可以完成的事情的一瞥。量子计算机科学的潜力仅受我们的想象力和克服当前技术挑战的能力的限制。尽管我们在降低错误率和算法优化方面正在进步，但哪些新的门将为科学和行业开放量子？
