量子模拟是科学家模拟和研究各种传统电脑难以处理的复杂系统，包括金融建模、网络安全、药物研发、人工智能及机器学习等。其中，探索分子振动谱对理解分子设计和分析中的分子特性尤为关键，然而，这一直是传统超级电脑难以有效解决的长期运算难题。
尽管研究人员正努力开发模拟分子振动谱的量子电脑和演算法，但受限于准确性和计算资源等问题，目前仅限于简单的分子结构。
近日，记者从香港理工大学（简称“港理工”）了解到，该校研究团队成功研发出16位量子比特半导体微型处理器晶片，为模拟大型复杂分子谱提供全新的解决方案。该项研究成果发表于《自然—通讯》。该研究为解决复杂的量子化学问题创造了条件，也为量子计算应用带来了新的突破。
研究团队开发16位量子比特半导体微型处理器晶片 港理工供图
该研究中，科研人员利用线性光子网络及压缩真空量子光源来模拟分子振动谱。在单个晶片上制造和集成了16位量子微处理晶片。此外，研究团队还开发了用于量子光子微型处理器晶片与控制模组的光电热封装、驱动软件及用户介面，以及可程式化的底层量子演算法的一套完整系统。开发的量子电脑系统可应用不同计算模型。
量子微型处理器可用于处理复杂任务，例如更加快捷、准确地模拟大型蛋白质结构或优化分子反应。论文第一作者、港理工博士后朱慧慧表示：“我们的方法可以突破传统限制，实现早期的实用分子模拟，有望在相关的量子化学应用中实现量子加速。”
量子技术在材料科学、化学及凝聚体物理学等科学领域非常重要。量子微型处理器晶片是量子电脑的核心技术，为量子信息处理提供不可替代的技术方案。
该研究成果在解决分子对接问题以及使用图形分类等量子机器学习技术方面具有广阔的应用前景。论文通讯作者、港理大电机及电子工程学系量子工程与科学讲座教授刘爱群说：“我们的研究为解决实际的量子模拟技术开辟了新途径。下一步，我们将扩大微型处理器的规模，以应对更复杂的应用。”
该研究成功解决了使用量子计算微型处理器进行分子谱仪模拟的难题，推动微型处理器及量子计算应用发展。（来源：中国科学报 刁雯蕙）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-024-50060-2
