某中心称其量子计算机能揭示分子结构
某中心量子人工智能的研究人员利用其Willow量子计算机，帮助解读核磁共振（NMR）光谱数据，这是化学和生物学研究的一项主流技术。这项工作使得量子计算机处于能够有效增强常见分子技术的前沿。
量子计算机最严格证实的用途在于破解密码学，但当前的设备规模太小且容易出错，无法运行解密算法。然而，另一个它们可能取得进展的领域是加速用于发现新药物和材料的过程。这些过程本质上具有量子特性，因此与量子计算机的能力非常匹配。某中心量子人工智能的Hartmut Neven及其同事现在展示了一个例子，说明量子计算机“与自然说同一种语言”的能力可能被证明是有价值的。
该团队的工作重点是一种名为“量子回声”的计算协议，以及它可以应用于核磁共振的方式，核磁共振用于确定分子结构的微观细节。
“量子回声”的核心思想类似于蝴蝶效应——即一个小扰动在它所属的更大系统中引起重大后果的现象，比如蝴蝶翅膀的扇动导致遥远的风暴。研究人员在Willow内部一个由103个量子比特组成的系统中使用了这种现象的量子版本。
在实验中，研究人员首先对他们的量子比特施加了一系列特定的操作，以可控的方式改变量子比特的量子态。然后，他们选择一个特定的量子比特进行微扰，这个量子比特将充当“量子蝴蝶”，随后再施加与之前相同但时间上反转的操作序列，就像倒带录像带一样。最后，团队测量了量子比特的量子特性，并通过分析这些特性来了解整个系统的信息。
从最简单的意义上讲，实验室中使用的核磁共振程序也依赖于微小的扰动，这次是用电磁波轻轻推动真实的分子，然后分析系统如何反应，以确定原子的相对位置，就像一把分子尺。当量子比特的操作模拟这个过程时，对量子比特的数学分析也可以转化为分子结构的细节。团队成员Tom O‘Brien表示，这个量子计算步骤有望让我们看到相距更远的原子之间的信息。“我们正在建造一把更长的分子尺。”
该团队估计，在传统超级计算机上运行类似于“量子回声”的协议所需时间大约要长13000倍。他们的测试还表明，两台不同的量子计算机都可以各自运行“量子回声”并产生相同的结果，这与团队过去推崇的一些量子算法的情况不同。O‘Brien表示，这之所以可能，部分原因是Willow硬件的质量迅速提高，例如降低了其量子比特的错误率。
但仍有改进的空间。当研究人员使用Willow和“量子回声”处理两种有机分子时，他们每次只使用了最多15个量子比特，而且计算的结果仍然可以通过传统的非量子方法匹配。换句话说，该团队尚未证明Willow相比其经典计算机具有明确的实用优势。目前，这种“量子回声”具体应用的演示仍是初步的，尚未经过正式的同行评审过程。
某机构（一家总部位于德国、开发量子算法的公司）的Keith Fratus表示：“分子结构测定的问题是一个极其重要且相关的问题。”他说，在像核磁共振这样的成熟技术与量子计算机上执行的计算之间建立联系是重要的一步，但就目前而言，这项技术的实用性可能仅限于生物学中高度专业化的研究。
某大学的Dries Sels表示，该团队的实验使用了更大的量子计算机，并考虑了比以前在量子计算机上建模的更复杂的核磁共振协议和分子，包括他及其同事之前的工作。他说：“量子模拟经常被引用为量子计算机的关键潜在用例之一，但工业上有趣的例子却少得惊人……我认为像核磁共振这样的光谱数据的模型推断可能被证明是有用的。我不认为我们已经达到目标，但像这样的工作为继续研究这个问题提供了动力。”
O‘Brien表示，随着团队不断提升量子比特的性能，将“量子回声”应用于核磁共振将变得更有用。量子比特的错误越少，能同时用于该协议的量子比特就越多，从而可以考虑越来越大的分子。
与此同时，寻找量子计算机最佳用途的探索无疑远未结束。某学院的Curt von Keyserlingk表示，在Willow上运行“量子回声”在实验上非常令人印象深刻，但它所实现的数学分析不太可能得到广泛使用。他说，除非它能明确超越核磁共振专家几十年来一直在做的工作，否则它的主要吸引力将在于专注于量子系统基础研究的物理学理论家。而且该协议可能并非完全面向未来——von Keyserlingk表示，他已经有了关于传统计算如何与之竞争的想法。
期刊参考文献
- Nature DOI: 10.1038/s41586-025-09526-6
- arXiv DOI: 10.48550/arXiv.2510.19550
主题：量子计算FINISHED
