理大科学家利用量子微型处理器芯片实现革命性分子谱模拟计算

香港 - Media OutReach Newswire - 2024年8月19日 - 量子模拟为科学家模拟及研究各种传统计算机难以处理的复杂系统，包括金融建模、网络安全、药物研发、人工智能及机器学习等。其中，探索分子振动谱对于理解分子设...

香港 - Media OutReach Newswire - 2024年8月19日 - 量子模拟为科学家模拟及研究各种传统计算机难以处理的复杂系统，包括金融建模、网络安全、药物研发、人工智能及机器学习等。其中，探索分子振动谱对于理解分子设计和分析中的分子特性至为关键，然而，这一直是传统超级電腦难以有效解决的长期运算难题。虽然研究人员正努力开发模拟分子振动谱的量子電腦和算法，但受限于准确性和计算资源等问题，目前仅限于简单的分子结构。
 

理大电机及电子工程学系量子工程与科学讲座教授、量子技术研究院院长、杰出创科学人教授刘爱群教授（左二）领导的研究已发表于《自然通讯》，第一作者为博士后研究员朱慧慧博士（右二）。

香港理工大学（理大）的研究团队成功研发出世界首创的16位量子比特半导体微型处理器芯片，为模拟大型复杂分子谱提供了全新的解决方案，团队精心设计基于量子叠加与量子纠缠模拟方案，而传统方式则需要耗费大量的运算时间。此项研究成果已发表于《自然通讯》（Nature Communications），题为 「基于压缩真空态制备的大尺度光子网络用于分子振动谱模拟」。这项尖端技术为解决复杂的量子化学问题创造条件，亦为量子计算应用带来了新的突破。

研究团队由理大电机及电子工程学系量子工程与科学讲座教授、量子技术研究院院长、杰出创科学人教授及新加坡工程院院士刘爱群教授领导，及研究论文第一作者博士后研究员朱慧慧博士主导及团队的共同努力，合作机构包括南洋理工大学、香港城市大学、北京理工大学、南方科技大学、新加坡微电子研究所及瑞典的查尔摩斯理工大学。

朱博士与团队通过实验展示了这款大规模量子微型处理器芯片的强大功能。团队利用线性光子网络及压缩真空量子光源来模拟分子振动谱。该16位量子微处理芯片是在单个芯片上制造和集成。团队还研发了一套完整系统，包括用于量子光子微型处理器芯片与控制模块的光电热封装、驱动软件及用户界面，以及可程式化的底层量子算法。开发的量子電腦系统可应用不同计算模型。

量子微型处理器可用于处理复杂任务，例如更加快捷、准确地模拟大型蛋白质结构或优化分子反应。朱博士表示：「我们的方法可以突破传统限制，实现早期的实用分子模拟，有望在相关的量子化学应用中实现量子加速。」

量子技术在材料科学、化学及凝聚体物理学等科学领域非常重要。量子微型处理器芯片是量子计算机的核心技术，为量子信息处理提供不可替代的技术方案。

该研究成果为无数实际应用打开了新的大门，包括解决分子对接问题，以及使用图形分类等量子机器学习技术。刘院士说：「我们的研究为解决实际的量子模拟技术开辟了新途径。下一步，我们将扩大微型处理器的规模，以应对更复杂的应用，造福社会。」

团队在量子技术方面取得了重大突破，成功解决了使用量子计算微型处理器进行分子谱仪模拟的难题，是微型处理器及量子计算应用发展的又一个重要里程碑。