化学键和化学反应的模拟有望成为大规模量子计算机的首批应用之一。物理学家现在已经展示了世界上第一次使用捕获离子量子位来模拟化学键，这是实现全尺寸量子计算的最有希望的途径之一。
这是一位艺术家的图像，锂氢化物分子接近其基态能量。
一个国际研究小组已经实现了世界上第一个在被困离子系统上进行的量子化学计算的多量子位演示，这个系统是开发通用量子计算机的领先硬件平台之一。
这项由悉尼大学物理学家科尼利厄斯·海佩尔博士领导的研究，探索了一条利用量子计算机模拟化学键和化学反应的有效途径。这篇文章发表在今天的“美国物理学会第十期物理评论”上。
“即使是最大的超级计算机也很难准确地模拟出除了最基本的化学物质之外的任何东西。然而，模拟自然的量子计算机开启了一种全新的理解物质的方法。他们将为我们提供一种新的工具，通过模拟来解决材料科学、医学和工业化学中的问题。“。
由于量子计算仍处于起步阶段，目前尚不清楚这些设备到底能有效解决哪些问题，但大多数专家都认为，量子化学将成为这一新兴技术的第一个“杀手应用”之一。
量子化学是用量子力学来理解分子复杂的键和反应的科学。除了最简单的化学过程之外，任何东西的“移动部分”都超出了最大和最快的超级计算机的能力。
通过使用量子计算机模拟和理解这些过程，科学家们期望解开化学反应的低能路径，从而设计出新的催化剂。这将对工业产生巨大的影响，例如化肥的生产。
其他可能的应用包括通过改进材料开发有机太阳能电池和更好的电池，并利用新的洞察力设计个性化药物。
与奥地利因斯布鲁克量子光学和量子信息研究所的同事合作，亨佩尔博士仅在一个20量子位设备上使用了4个量子位元来运行模拟分子氢和锂氢化物的能量键的算法。
这些相对简单的分子被选择，因为它们是很好的理解和可以用经典的计算机模拟。这使得科学家能够检查正在开发中的量子计算机所提供的结果。
亨佩尔博士说：“这是这项技术发展的一个重要阶段，因为它允许我们设定基准，寻找错误，并计划必要的改进。”
亨佩尔博士的研究重点不是针对迄今为止最精确或最大的模拟，而是专注于一种有前途的量子-经典混合算法-变分量子特征求解器(VQE)-可能出错的地方。
通过研究化学问题的不同编码方式，研究人员正在寻找方法来抑制今天不完美的量子计算机中出现的错误，并阻碍这些机器的近期用途。
差错抑制是悉尼大学量子控制实验室研究的核心，由迈克尔·比尔库克教授领导，他最近启动了澳大利亚第一家私有量子创业公司Q-CTRL。亨佩尔博士在因斯布鲁克大学(UniversityofInnsbruck)做过这些实验，现在他希望利用悉尼的专业知识来改进这些模拟所能达到的效果。
今天发表在“物理评论X”杂志上的这篇论文，是与因斯布鲁克教授、量子计算先驱雷纳·布拉特和哈佛大学前教授阿尔恩·阿斯普鲁-古齐克共同撰写的，后者后来搬到了多伦多大学。
来自因斯布鲁克IQOQI的Blatt教授说：“量子化学就是一个例子，量子计算机的优势很快就会在实际应用中显现出来。”
悉尼纳米研究所量子科学领域负责人伊万卡萨尔博士说：“这项工作是量子化学最有希望的方法之一的出色实现，证明了它在真正的量子信息处理器上的勇气。”
他说，亨佩尔博士决定在2016年搬到悉尼大学，这对校园里强大的量子团队来说是一个极好的补充。他说：“理论化学和材料科学是这所大学的强项，这些最新的量子计算技术将使它们得到加强。”
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