去年秋天，谷歌的研究人員宣佈他們實現了“量子霸權”——量子計算機能夠完成超出普通計算機能力的任務——當時有些人想知道這有什麼大不了的。批評人士說，該程式檢查的是隨機數發生器的輸出，實用價值有限，並沒有證明該公司的機器能夠做任何有用的事情。
然而，現在，谷歌的量子計算機取得了一些可能具有實際應用價值的成果：成功地模擬了一個簡單的化學反應。這一壯舉為量子化學指明瞭方向，量子化學可以擴充套件科學家對分子反應的理解，並帶來有用的發現，例如更好的電池、製造肥料的新方法以及改進空氣中二氧化碳去除方法。
去年的量子霸權實驗是在一個名為“西克莫”的晶片上進行的，該晶片包含 53 個超導量子位元。量子位元被冷卻到接近絕對零度，呈現出量子力學特性，使科學家能夠以比構成經典計算機位元的簡單“開/關”電流流動更復雜和更有用的方式來操縱它們。人們希望有一天，量子計算機將變得足夠強大，能夠快速完成經典計算機需要宇宙壽命才能完成的計算。
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這項量子化學實驗於 8 月 28 日發表在《科學》雜誌上，它依賴於相同的基本“西克莫”設計，儘管它只使用了 12 個量子位元。但谷歌專案的演算法開發負責人瑞安·巴布什表示，這證明了該系統的多功能性。“它表明，實際上，這種裝置是一臺完全可程式設計的數字量子計算機，可以用於您可能嘗試的任何任務，”他說。
該團隊首先模擬了一個由 12 個氫原子組成的分子能量狀態的簡化版本，其中 12 個量子位元中的每個量子位元代表一個原子的單個電子。然後，他們模擬了一個含有氫原子和氮原子的分子中的化學反應，包括當該分子的氫原子從一側移動到另一側時，其電子結構將如何變化。由於電子的能量決定了在給定溫度或不同分子濃度下反應發生的快慢，因此這種模擬可以幫助化學家準確地瞭解該反應如何工作——以及如果他們改變溫度或化學混合物，反應會如何變化。
研究人員執行的模擬，稱為 Hartree-Fock 程式，也可以在經典計算機上執行，因此它本身並沒有證明量子計算機的優越性。而且它是在經典計算機的幫助下執行的，經典計算機使用機器學習來評估每次計算，然後改進新一輪的量子模擬。但谷歌量子團隊的研究科學家尼古拉斯·魯賓表示，這項壯舉驗證了該專案的基本方法，這將是未來量子化學模擬不可或缺的一部分。而且它比之前量子計算機上保持記錄的化學計算規模大了一倍。
2017 年，IBM 使用六個量子位元進行了量子化學模擬。魯賓說，該結果描述了一個分子系統，其複雜程度在 1920 年代的科學家可以手工計算。谷歌的專案將這個數字翻了一番，達到 12 個量子位元，解決了一個可以用 1940 年代計算機計算的系統。“如果我們再次將它翻一番，我們可能會達到 1980 年左右的水平，”巴布什補充道。“如果我們再次翻一番，那麼我們可能會超越今天經典計算機所能做到的水平。”
斯坦福大學理論物理研究所的博士後研究員袁曉表示，到目前為止，還沒有量子計算機取得經典計算機無法取得的成就。他在《科學》雜誌上撰寫了評論，對谷歌的論文進行了評論。甚至該公司在 2019 年取得的量子霸權也受到了 IBM 研究人員的質疑，他們展示了一種在超級計算機上在兩天半內獲得相同結果的方法，儘管谷歌的版本只用了三分多鐘。但是，袁說，量子化學實驗是朝著一個主要目標邁出的重要一步。“如果我們能用量子計算機來解決一個經典的難題和有意義的問題，那將真的是最令人興奮的訊息，”他補充道。
袁說，沒有理論上的理由可以阻止科學家實現這個目標，但是從幾個量子位元到幾百個量子位元——最終到更多量子位元——的技術挑戰將需要大量的複雜工程。擁有數百萬量子位元的通用量子計算機將需要開發糾錯協議，這是一個特別艱鉅的問題，可能需要十年或更長時間才能解決。但是，所謂的噪聲中等規模量子計算機，即沒有完全糾錯功能的量子計算機，可能在過渡時期仍然被證明是有用的。
多倫多大學量子化學先驅阿蘭·阿斯普魯-古茲克說，化學與量子計算非常匹配，因為化學反應本質上是量子的。要完全模擬這樣的反應，必須知道所有參與電子的量子態。還有什麼比使用另一個量子系統來模擬量子系統更好的方法呢？阿斯普魯-古茲克說，早在工程師開發出通用可程式設計量子計算機之前，擁有少量量子位元的裝置應該能夠在化學中一系列有趣的問題上超越經典計算機。“所以這是一件大事，但這還不是故事的結局，”他補充道。
例如，阿斯普魯-古茲克正在尋找更好的電池材料來儲存風力渦輪機和太陽能電池產生的能量。這種材料的特性可能存在衝突：它們需要足夠活躍才能快速充電和放電，但仍要足夠穩定以避免爆炸或著火。反應的計算機模型可以幫助確定這種棘手任務的理想材料。這種模型對於開發新藥也很重要。
即便如此，量子計算機可能不是模擬化學反應的唯一革命性新方法，阿斯普魯-古茲克說。人工智慧有可能開發出足夠高效的演算法，以便在經典計算機上執行可用的模擬。為了對沖風險，他的實驗室同時研究這兩種可能性：它正在開發用於在中檔量子計算機上執行的新演算法，並建立人工智慧驅動的機器人來發現新型材料。
但谷歌的工作讓阿斯普魯-古茲克樂觀地認為，量子計算可以在不久的將來解決有趣的問題。“這是當今量子計算機可以做到的最好的，”他說。“但是，在硬體和軟體方面，還有很多工作要做才能實現這一目標。”