微信号:AI_era

介绍:智能+中国主平台,致力于推动中国从互联网+迈向智能+新纪元.重点关注人工智能、机器人等前沿领域发展,关注人机融合、人工智能和机器人革命对人类社会与文明进化的影响,领航中国新智能时代.

【重磅】谷歌量子计算在量子化学领域取得实质突破(附论文)

2016-07-19 17:44 新智元

   新智元编译  

来源:Google Research

译者:张冬君、闻菲


【新智元导读】Google Research 今日发文,自上月在 Nature 发文介绍最新通用量子计算机原型后,这一次谷歌研究员和多所高校合作,首次在没有耗费大量资源进行量子预编译的情况下,实现了对氢分子势能面的计算实验,结果在误差允许范围之内。量子化学是量子计算有望大幅加速的领域之一,该研究简化了预编译过程,为传统量子算法难以解决的复杂分子可变量子模拟(计算)提供了希望。新智元第一时间编译整理,介绍这项技术进步。



北京时间19日上午,谷歌量子软件工程师 Ryan Babbush 在 Google Research 发表博文,介绍了谷歌量子计算研究的最新进展。


Google Research 与伯克利实验室、UCSB、Tufts 大学和伦敦学院大学的研究人员合作,论文日前已经在同行评议期刊 Physical Review X 发表。


研究人员在论文中介绍了一项比较重要的突破——首次实现了在不需要耗费大量资源进行量子预编译的情况下(预编译指将信息处理成量子数据的过程),在量子计算机上对氢分子电子能级结构的计算。


量子化学是量子计算能够提供大幅度加速的一个有前途的领域。由于简化了预编程过程,该研究在技术上有不错的进步,能够更快计算出很多复杂的量子化学问题。


量子计算在量子化学领域取得实质突破


(文/Ryan Babbush)量子计算最广阔的一个应用前景,就是能够高效地建立自然界的量子系统,而这对于传统计算机而言是极其困难的。现在,我们与哈佛大学的 Aspuru-Guzik团队以及来自劳伦斯伯克利国家实验室、加州大学圣塔芭芭拉分校、塔夫茨大学、伦敦大学学院众多研究机构的研究人员合作,进行了首个完全可扩展的分子量子变相模拟(计算)。我们将实验结果写成论文,日前已经在 Physical Review X 发表。


我们实验的目的是,使用量子硬件来有效解决分子电子结构的问题,即在给定原子核组态的情况下让电子组态达到能量最低。为了预测化学反应速率(化学反应速率影响化学反应机理),计算结果必须要达到很高的精确度。


预测化学反应速率的能力会革新太阳能电池、工业催化剂、电池、柔性电子产品、药品、材料等的设计。主要困难是这些分子系统会形成高度纠缠的量子叠加态,要高精地展示该叠加态就需要巨大的传统计算资源。例如,精确计算甲烷(CH4)的能量需要1秒钟,但是计算乙烷(C2H6)的能量就需要10分钟,而丙烷(C3H8)则需要10天。


在这个实验里,我们采用了“可变量子本征求解(variational quantum eigensolver,VQE)这一方法,该方法可以理解为是神经网络的量子模拟。经典的神经网络是一张参数图,这是为了建立传统数据模型;而 VQE 这张参数图(例如量子线路),是为了建立量子数据模型(例如分子波函数)。


通过使用 VQE,我们对氢气分子H2 的能量全景图(energy landscape)进行了量子计算。我们将 VQE 的表现与另一种用于传统化学量子算法——相位估值算法(PEA)进行比较。使用 VQE 实验计算出的能量值表示为 H - H 键长度的函数,如下图所示。





可以看出,在实验中 VQE 能取得这么高的表现,是因为神经网络训练回路( training loop) 帮助建立实验最佳线路参数,表示存在系统控制误差的情况下的波函数。


这可以理解为神经网络的硬件实现有一个权重错误,例如,显示的权重只有实际权重的一半。因为神经网络的权重是通过一个闭环的训练程序确定的,可以弥补系统误差,该硬件神经网络能够承受这样的瑕疵。同样,尽管VQE线路的实现过程存在系统误差,我们仍然能够得到一个准确的波函数模型。因此,可以期待 VQE 在不用进行量子纠错的情况下解决经典的棘手问题。


虽然氢分子的能量可以通过传统方法计算(只是效率低),但是当大规模增加量子硬件时,就有可能模拟更大的化学系统,包括那些很难操作的系统。例如,只有100个可靠的量子比特也能就室温下细菌生产肥料的过程建立模型。解释这个机制,在化学界是很有名的一个待解决问题。这是因为人类生产肥料的方式极其低效,而且每年还要消耗世界能源的1~ 2%。


量子理论的出现使定性或描述性的化学模拟向定量或预测性化学模拟转变。即使面临许多理论和实验上的挑战,量子理论仍然给这个领域带来巨大的变革,今后的应用还会有更多更多。



论文介绍


  • Scalable Quantum Simulation of Molecular Energies

  • 对分子能量的可扩展量子模拟(计算)


作者在本论文中首次实现了在不需要耗费大量资源的量子预编译的情况下,在量子计算机上对氢分子电子能级结构的计算。作者使用了可编程的超导量子比特阵列,使用两种不同的量子算法,分别是“可变量子本征求解”(variational quantum eigensolver,VQE)和“相位估值算法”(Phase Estimation Algorithm,PEA),对氢分子的势能面进行了计算实验。


在使用相位估值算法(属于量子化学的传统量子算法)时,实验结果不怎么理想,因为耗费大量资源,计算只能进行一小步,无法达到化学精度。但研究人员使用另一种量子算法,即可变量子本征求解算法,实验结果获得了足够的化学精度。



VQE的硬件、软件图解。(硬件)显微图显示了2 XMON transmon的量子比特和微波的脉冲序列来进行单个量子比特旋转(粗线),直流脉冲为2量子比特缠结门(虚线),微波光谱色调为量子比特测量(细线)。(软件)量子电路图显示准备Hartree-Fock状态。


试验结果表明,作者设计的 VQE 对特定类型的误差具有鲁棒性,比传统的量子相位估值算法(如 PEA)等量子门算法可适应性更高。该结果为传统量子算法难以解决的复杂分子可变量子模拟(计算)提供了希望,也拉开了量子计算在化学领域实际应用的序幕。



VQE:原始数据和计算出的能面。(a)图,数据显示的是Eq. (1)的期待值,Eq. (1)在Eq. (3)中是θ,的函数。最靠近数据的黑线表示理论值。(b)图,实验计算得出的能量值与θ、R的函数关系。能面根据Eq. (4)计算得出。


进入新智元后台,输入“0719”下载论文





【新智元100】
寻找中国最具竞争力人工智能创业公司
新智元于7月11日启动2016年【新智元100】人工智能创业公司评选,在人工智能概念诞生60周年之际,寻找中国最具竞争力的人工智能创业企业。
参加【新智元100】评选 5 大理由
 
1. 产业政策风投基金,资源直达:入围项目将获得新智元为其定制的资源对接机会,包括与产业大型企业客户、知名风投机构、政府产业促进政策与引导基金的深度对接机会等。
 
2. 世界级大会与展览,实力展示:入围项目有机会获得中国自动化学会与新智元联合主办、中国科协与中关村管委会支持的AI WORLD 2016人工智能国际会议创业投融资分论坛路演或panel候选资格和大会展位候选资格,凸显产业引领地位。
 
3. 人工智能第一平台,专业报道:入围项目将有机会获得新智元微信平台面向超过10万名人工智能产业精英订户报道。
 
4. 人工智能年度明星,晋升评选:入围项目将有机会获得新智元2016年度人工智能创业家荣誉获奖者候选资格。
 
5. 人工智能产业报告,权威评估:入围项目将有机会在新智元出品的《2016中国人工智能产业发展报告》创业与投融资篇中作为典型初创公司代表案例,获得深度评估机会。

如何参加【新智元100】评选
 
点击文章下方 阅读原文 ,在线填写报名表。该报名表为参加评选必填资料。

如有更多介绍资料(例如BP等),可发送至 xzy100@aiera.com.cn,邮件标题请注明公司名称。如有任何咨询问题,可联系微信号Kunlin1201。
 
【新智元100】评选活动时间表

创业企业报名期:即日起至2016年8月31日
专家评委评审期:2016年9月
入围企业公布期:2016年10月18日


新智元——中国最具影响力AI社群、最权威人工智能智库平台
 
【平台优势】
新智元拥有国内最顶级的人工智能社交资讯平台和专家智库,并联合顶级风投与产业基金合作伙伴,形成“社交资讯+专家智库+产业基金”三位一体模式,目前已聚集人工智能生态圈产学研政投高端从业者订户逾10万人,获得清博大数据·新媒体指数“2015年最具影响力社群”大奖。
 
【权威评估】
新智元智库特聘百余名国内顶级人工智能产学研界专家,并特邀多位重点关注人工智能产业发展的风投大咖与政府相关部门负责人联合组成评审委员会,独家设计综合量化评估体系,指标客观权威性强。
【新智元Top100顶级评委阵容】

技术专家评委 :
白  硕       新智元人工智能智库首席执委  上交所前CTO
王飞跃    中国自动化学会副理事长兼秘书长 
芮  勇      微软亚洲研究院常务副院长 
张代君    三星电子中国研究院院长 
黄铁军    北京大学信息科学技术学院计算机系主任 
陈宝权    山东大学计算机学院与软件学院院长 
刘   江      美团技术学院院长,CSDN及《程序员》原总编 
李立军     慈星机器人CEO 
孔华威    上海张江科技创业投资有限公司首席科学家 
沈  强       将门联合创始人兼CTO 

投资机构评委  
王  阳    赛伯乐投资集团总裁 
丁  健     金沙江创投董事总经理 
翁  馨     平安银行北京分行智能制造金融业务部总经理 
黄明明   明势资本创始合伙人 
岳  斌     高榕资本创始合伙人 
金  宇     百度战略副总裁 
姚  欣     蓝驰创投投资合伙人,PPTV创始人 
程  浩     松禾远望基金创始合伙人,迅雷创始人 
庄辰超    斑马资本创始合伙人,去哪儿网创始人 
罗  斌      微软加速器中国驻企CEO
牛奎光     IDG资本合伙人
吴玲伟     洪泰AA加速器创始人




微信号:AI_era100

长按二维码关注新智元100,发现中国最具竞争力人工智能初创企业
吴玲伟     洪泰AA加速器创始人


 
新智元 更多文章 【CEO圆桌】智能服务机器人前瞻,红海派对决蓝海派(2万字实录) 【CMU计算机系院长】人工智能:你需要知道的10件事 【早稻田大学专家】如何用机械设计实现机器智能(68PDF下载) 【诺奖级论文】大脑GPS:寻路神经系统如何导航 【Telegraph】全球未来15年八大预测
猜您喜欢 如何实现高可用的redis集群 BAT程序员技术晋升非正式攻略 Web页面测试——控件类(二) Linux 内存寻址之分页机制