【大紀元2021年03月26日訊】（大紀元記者高文森編譯報導）信息科技的發展、疫情的出現、複雜政治力量的對壘，各種因素使得近年來許多傳統職業在經歷快速巨大的變化。化學研究領域也在其中。研究者發現，量子電腦正在徹底改變這個研究領域的格局。
IBM公司研究員、量子應用、算法和理論研究組組長加西亞（Jeannette Garcia）以豐富的經驗和對這個行業的瞭解，介紹了量子計算機將對化學行業帶來的變革。她說：「量子電腦將把分子建模的準確性提升到一個全新的高度，顯著減少研究人員依賴機緣巧合發現新化合物的程度。」
傳統化學行業經典案例
發現一種可回收再利用的化合物，是加西亞職業生涯里閃亮的一筆，是一項獲獎的發現。而這個經歷正是典型的一個傳統化學行業工作方法的案例。
2012年她在IBM位於加州的一個實驗室工作的時候，一次她打算把三種化學成分在燒杯內混合，嘗試找到一種成分，能夠提升某種化合物的熱固性，即在溫熱的狀態下仍然堅固的特性。
當她把其中兩種成分混合的時候生成了一種很堅硬的塑料固體物質。加西亞不得不打破燒杯才能把這種物質取出。之後，她把這種物質泡在一個稀釋的酸性溶劑內，第二天，她意外地發現這些材料又變回了初始的材料狀態。這意味著這兩種成分可以製造出一種可回收再利用的熱固塑料。
加西亞說，如果她在看到生成的堅硬塑料那個步驟的時候認為這是個失敗實驗，沒有繼續後面的實驗，她根本就不會有這項發現。
她感概地表示，這就是傳統化學行業研究人員經常遇到的情況，探索材料的過程很大程度要依賴運氣和意外地發現。有「塑料王」之稱的鐵氟龍（Teflon）材料，也是化學家普倫凱特（Roy Plunkett）在研究用作冷卻劑氣體時候一項意外的發現。
量子系統是大自然的模擬
物理學家費曼（Richard Feynman）曾說過：「自然界不符合經典定律，這很麻煩，如果你想模擬自然界，最好使用量子力學理論。」
加西亞說，量子電腦的到來將徹底改變化學領域的研究方式。具體來說，要想促進化學領域進步，必須對化學反應裡面的能量變化有著很確切的掌握。這是化學行業一直期待突破的局限性——利用電腦建立的模型能夠對即使最簡單的分子的行為進行準確地預測，這是當代即使最強大的電腦都辦不到。
使用傳統電腦模擬化學反應中能量的變化，當模擬系統大到超過一定範圍後，傳統電腦便無法模擬電子的量子行為，於是在很多地方都要用到模糊、近似的處理。每一個近似的處理都在降低模型的準確度，增加研究人員的工作量，包括驗證和對模型的不斷修正。
加西亞說，量子電腦採取的方法不一樣，她認為量子電腦從根本上「簡直就是自然界的模型」，「無需使用任何近似處理」。
專業應用
現在量子電腦已經能夠對像氫化鋰（LiH）這樣很小的分子建模，準確地描述其能量變化和各項特性，能夠模擬的分子能量態已經從基態擴展到激發態。這些計算讓研究人員能夠全局地瞭解分子反應中能量的變化、與光反應的變化。
將來，研究人員在考察為小分子偶極矩建模，這是瞭解分子內電子分布和極化這個研究方向邁出的重要一步，也有助於瞭解分子之間產生反應的原因。
另外一類傳統電腦難以模擬的情況例如，如果系統中出現不成對的電子會發生怎樣的情形？這些計算將失去保真度嗎？研究人員怎樣調整算法讓它們與預期的結果靠近？這些工作對於研究具有奇異特性的物質很有幫助，而這在當今，依靠實驗室人工實驗和使用傳統電腦都是難以進行的研究課題。
加西亞說，當然這些工作使用傳統電腦都可以模擬到一定的程度，只是量子電腦的出現將極大地加速這些研究的進程。她預計就在不遠的未來，量子化學研究領域很快將出現很大的變化。
量子電腦和傳統電腦結合研究
人們會想，將來化學家是不是直接把現在使用的各種程序輸入量子電腦，直接得到實驗室可以開始實物實驗所用的數據了呢？加西亞認為比較可行的方式應該是，把量子模型引入到目前所用的研究流程中，讓傳統電腦整合量子模型工作。
具體來說，研究人員仍然使用傳統的方法進行複雜的計算，比如涉及各種酶、聚合物鏈或金屬表面的計算。之後，引入量子方法，模擬其中特殊的互動環節，比如酶的活性位置點、溶劑分子和聚合物鏈之間的相互作用，或是小分子內的氫鍵等。
研究人員根據需要，仍然可以對某些地方進行模糊處理，但是整體上，或是在關鍵的地方，這些模擬系統的精確度將得到極大的提升。
近期可預計的成果
加西亞介紹說，這種研究方法的實際用途很多，影響力將很大。例如，中國政府減少了可再生材料的進口之後，塑料在世界範圍內的污染問題變得更加急迫。如果研究人員能讓塑料更加容易的分解、循環，將極大緩解全世界面臨的塑料污染。另外，開發低碳排放的材料、燃料也是很多研究人員感興趣的探索方向。◇
責任編輯：朱涵儒
