美国海军研究实验室(NRL)的科学家在最近的一篇《物理评论研究》文章中发表了级联变分量子本征求解器(CVQE)算法。该算法有望成为研究电子系统物理特性的强大工具。

科学家提供量子算法来开发新材料和化学

CVQE算法是变分量子本征求解器(VQE)算法的变体，在参数优化过程中只需要执行一组量子电路一次，而不是每次迭代，从而提高了计算吞吐量。

“这两种算法都会产生接近系统基态的量子态，用于确定系统的许多物理特性，”理论化学部研究物理学家约翰·斯坦格博士说。“以前需要几个月的计算现在可以在几个小时内完成。”

CVQE算法使用量子计算机来探测所需的概率质量函数，并使用经典计算机来执行其余计算，包括能量最小化。

“找到最小能量在计算上是困难的，因为状态空间的大小随着系统大小呈指数增长，”高级功能材料理论研究物理学家SteveHellberg博士说。“除了非常小的系统，即使是世界上最强大的超级计算机也无法找到确切的基态。”

为了应对这一挑战，科学家们使用带有量子位寄存器的量子计算机，其状态空间也呈指数级增长，在本例中是量子位。通过在寄存器的状态空间上表示物理系统的状态，量子计算机可用于模拟系统的指数大表示空间中的状态。

随后可以通过量子测量提取数据。由于量子测量不是确定性的，因此必须重复多次量子电路执行才能估计描述状态的概率分布，这一过程称为采样。变分量子算法(包括CVQE算法)通过一组经过优化以最小化能量的参数来识别试验状态。

“原始VQE方法和新CVQE方法之间的主要区别在于，后者的采样和优化过程已解耦，使得采样可以专门在量子计算机上执行，而参数只能在经典计算机上处​​理。”理论化学科主任DanGunlycke博士说道，他同时也是NRL量子计算工作的负责人。

“新方法还有其他好处。解决方案空间的形式不必符合量子位寄存器的对称性要求，因此，更容易塑造解决方案空间并实现系统和其他物理结构的对称性。动机约束，这最终将导致对电子系统特性的更准确预测，”Gunlycke继续说道。

量子计算是量子科学的一个组成部分，被美国国防部负责研究和工程的副部长HeidiShyu指定为“竞争时代的USD(R&E)技术愿景”中的关键技术领域。

“了解量子力学系统的特性对于海军和海军陆战队新材料和化学的开发至关重要，”冈利克说。“例如，腐蚀是一个无处不在的挑战，每年给国防部造成数十亿美元的损失。CVQE算法可用于研究引起腐蚀的化学反应，并为我们现有的防腐团队寻求开发更好的涂料和添加剂提供关键信息”。

几十年来，NRL一直在量子科学领域进行基础研究，这有可能产生精确、导航和授时方面的颠覆性国防技术;量子传感;量子计算;和量子网络。