量子计算如何改写当代化学

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【大纪元2021年03月26日讯】(大纪元记者高文森编译报导)信息科技的发展、疫情的出现、复杂政治力量的对垒,各种因素使得近年来许多传统职业在经历快速巨大的变化。化学研究领域也在其中。研究者发现,量子电脑正在彻底改变这个研究领域的格局。

IBM公司研究员、量子应用、算法和理论研究组组长加西亚(Jeannette Garcia)以丰富的经验和对这个行业的了解,介绍了量子计算机将对化学行业带来的变革。她说:“量子电脑将把分子建模的准确性提升到一个全新的高度,显着减少研究人员依赖机缘巧合发现新化合物的程度。”

传统化学行业经典案例

发现一种可回收再利用的化合物,是加西亚职业生涯里闪亮的一笔,是一项获奖的发现。而这个经历正是典型的一个传统化学行业工作方法的案例。

2012年她在IBM位于加州的一个实验室工作的时候,一次她打算把三种化学成分在烧杯内混合,尝试找到一种成分,能够提升某种化合物的热固性,即在温热的状态下仍然坚固的特性。

当她把其中两种成分混合的时候生成了一种很坚硬的塑料固体物质。加西亚不得不打破烧杯才能把这种物质取出。之后,她把这种物质泡在一个稀释的酸性溶剂内,第二天,她意外地发现这些材料又变回了初始的材料状态。这意味着这两种成分可以制造出一种可回收再利用的热固塑料。

加西亚说,如果她在看到生成的坚硬塑料那个步骤的时候认为这是个失败实验,没有继续后面的实验,她根本就不会有这项发现。

她感概地表示,这就是传统化学行业研究人员经常遇到的情况,探索材料的过程很大程度要依赖运气和意外地发现。有“塑料王”之称的铁氟龙(Teflon)材料,也是化学家普伦凯特(Roy Plunkett)在研究用作冷却剂气体时候一项意外的发现。

量子系统是大自然的模拟

物理学家费曼(Richard Feynman)曾说过:“自然界不符合经典定律,这很麻烦,如果你想模拟自然界,最好使用量子力学理论。”

加西亚说,量子电脑的到来将彻底改变化学领域的研究方式。具体来说,要想促进化学领域进步,必须对化学反应里面的能量变化有着很确切的掌握。这是化学行业一直期待突破的局限性——利用电脑建立的模型能够对即使最简单的分子的行为进行准确地预测,这是当代即使最强大的电脑都办不到。

使用传统电脑模拟化学反应中能量的变化,当模拟系统大到超过一定范围后,传统电脑便无法模拟电子的量子行为,于是在很多地方都要用到模糊、近似的处理。每一个近似的处理都在降低模型的准确度,增加研究人员的工作量,包括验证和对模型的不断修正。

加西亚说,量子电脑采取的方法不一样,她认为量子电脑从根本上“简直就是自然界的模型”,“无需使用任何近似处理”。

专业应用

现在量子电脑已经能够对像氢化锂(LiH)这样很小的分子建模,准确地描述其能量变化和各项特性,能够模拟的分子能量态已经从基态扩展到激发态。这些计算让研究人员能够全局地了解分子反应中能量的变化、与光反应的变化。

将来,研究人员在考察为小分子偶极矩建模,这是了解分子内电子分布和极化这个研究方向迈出的重要一步,也有助于了解分子之间产生反应的原因。

另外一类传统电脑难以模拟的情况例如,如果系统中出现不成对的电子会发生怎样的情形?这些计算将失去保真度吗?研究人员怎样调整算法让它们与预期的结果靠近?这些工作对于研究具有奇异特性的物质很有帮助,而这在当今,依靠实验室人工实验和使用传统电脑都是难以进行的研究课题。

加西亚说,当然这些工作使用传统电脑都可以模拟到一定的程度,只是量子电脑的出现将极大地加速这些研究的进程。她预计就在不远的未来,量子化学研究领域很快将出现很大的变化。

量子电脑和传统电脑结合研究

人们会想,将来化学家是不是直接把现在使用的各种程序输入量子电脑,直接得到实验室可以开始实物实验所用的数据了呢?加西亚认为比较可行的方式应该是,把量子模型引入到目前所用的研究流程中,让传统电脑整合量子模型工作。

具体来说,研究人员仍然使用传统的方法进行复杂的计算,比如涉及各种酶、聚合物链或金属表面的计算。之后,引入量子方法,模拟其中特殊的互动环节,比如酶的活性位置点、溶剂分子和聚合物链之间的相互作用,或是小分子内的氢键等。

研究人员根据需要,仍然可以对某些地方进行模糊处理,但是整体上,或是在关键的地方,这些模拟系统的精确度将得到极大的提升。

近期可预计的成果

加西亚介绍说,这种研究方法的实际用途很多,影响力将很大。例如,中国政府减少了可再生材料的进口之后,塑料在世界范围内的污染问题变得更加急迫。如果研究人员能让塑料更加容易的分解、循环,将极大缓解全世界面临的塑料污染。另外,开发低碳排放的材料、燃料也是很多研究人员感兴趣的探索方向。◇

责任编辑:朱涵儒

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