量子微处理器芯片和实验装置的示意图。图片来源：Nature Communications （2024）。DOI： 10.1038/s41467-024-50060-2

量子模拟使科学家能够模拟和研究在各个领域使用经典计算机具有挑战性甚至不可能的复杂系统，包括财务建模、网络安全、药物发现、AI 和机器学习。例如，探索分子振动光谱对于理解分子设计和分析中的分子特性至关重要。

然而，这仍然是一个长期存在的计算难题，无法使用传统的超级计算机有效解决。研究人员正在努力研究量子计算机和算法，以模拟分子振动光谱。然而，它们仅限于简单的分子结构，因为它们难以应对低准确度和固有的噪声。

香港理工大学（理大）的工程研究人员成功研发出量子微处理器芯片，用于模拟实际大结构和复杂分子的分子光谱学，这是世界首创。

准确捕获这些量子效应需要精心开发的模拟，这些模拟考虑了量子叠加和纠缠，而量子叠加和纠缠是经典建模的计算密集型。

该研究发表在《自然通讯》上，题为“用于分子振动光谱的具有挤压真空状态的大规模光子网络”的论文中。

这项尖端技术为解决复杂的量子化学问题铺平了道路，包括超出经典计算机能力的量子计算应用程序。

研究团队由量子工程与科学讲座教授、量子技术研究所（IQT）所长、全球STEM学者、新加坡工程院院士刘爱群教授领导，以及主要项目推动者、电气与电子工程系博士后研究员、研究论文第一作者朱慧慧博士。

其他合作者来自南洋理工大学、香港城市大学、北京理工大学、南方科技大学、瑞典微电子研究所和查尔姆斯理工大学。

由量子工程与科学讲座教授兼量子技术研究所 （IQT） 所长、理大全球 STEM 学者、新加坡工程院院士刘爱群教授（左二）领导的研究最近发表在《自然通讯》上。电气及电子工程学系博士后研究员朱辉辉博士（右二）为第一作者。图片来源：香港理工大学

朱博士的团队通过实验演示了一种大规模量子微处理器芯片，并引入了一种采用线性光子网络和压缩真空量子光源来模拟分子振动光谱的非平凡理论模型。16 量子比特量子微处理器芯片被制造并集成到单个芯片中。

已经开发了一个完整的系统，包括用于量子光子微处理器芯片和电气控制模块的光-电-热封装的硬件集成、设备驱动程序的软件开发、用户界面和完全可编程的底层量子算法。开发的量子计算机系统为进一步的应用提供了基本的构建块。

量子微处理器可用于解决复杂任务，例如模拟大分子蛋白质结构或优化分子反应，显著提高速度和准确性。

朱博士说：“我们的方法可以产生一类早期的实用分子模拟，这些模拟的运行方式超越了经典极限，并有望在相关量子化学应用中实现量子加速。

量子技术在科学领域至关重要，包括材料科学、化学和凝聚态物理学。作为一个有吸引力的硬件平台，量子微处理器芯片为量子信息处理提供了一种很有前途的技术替代方案。

研究结果和由此产生的集成量子微处理器芯片为众多实际应用开辟了重要的新途径。这些应用包括解决分子对接问题和利用量子机器学习技术（如图分类）。

刘教授说：「我们的研究受到量子模拟技术对现实世界的潜在影响的启发。在我们工作的下一阶段，我们的目标是扩大微处理器的规模，并处理更复杂的应用，从而使社会和行业受益。

该团队成功地解决了使用量子计算微处理器进行分子光谱模拟这一极具挑战性的任务。他们的研究标志着量子技术及其潜在量子计算应用的重大进步。

更多信息：Hui Hui Zhu 等人，用于分子振动光谱的具有挤压真空态的大规模光子网络，Nature Communications （2024）。DOI： 10.1038/s41467-024-50060-2

期刊信息： Nature Communications