基于轨道角动量量子的 VQE - 氢 （H2） 分子 / 通过使用空间光调制器实现基于轨道角动量量子比特态的量子处理设备。H 的基态能量2基于分子模型的估计值是 VQE。图片来源：韩国科学技术研究院

在 AI 和数据推动科学革命的时代，量子计算技术正在成为新药和新材料开发的另一个游戏规则改变者。

韩国科学技术研究院 （KIST） 量子技术中心的研究团队 Hyang-Tag Lim 博士实施了一种量子计算算法，该算法可以使用比传统方法更少的资源以化学精度估计原子键间距离和基态能量，并且无需额外的量子误差缓解技术即可成功执行精确计算。

这项工作发表在《科学进展》杂志上。

量子计算机的缺点是，随着当前水平计算空间的增长，误差会迅速增加。为了克服这个问题，结合了经典计算机和量子计算机优点的变分量子特征求解器 （VQE） 方法应运而生。

VQE 是一种混合算法，旨在结合使用量子处理单元 （QPU） 和经典处理单元 （CPU） 来执行更快的计算。

包括 IBM 和 Google 在内的全球研究团队正在各种量子系统中研究它，包括超导和囚禁离子系统。然而，基于量子比特的 VQE 目前在光子系统中最多只能实现 2 个量子比特，在超导系统中最多只能实现 12 个量子比特，并且受到错误问题的挑战，当需要更多量子比特和复杂计算时，很难进行扩展。

基于轨道角动量量子的 VQE - LiH 分子 / 基于轨道角动量 qudit 的 VQE 实验方案。LiH 分子模型的基态能量估计，对应于 16 个维度，对四维氢分子使用相同的实验设置。图片来源：韩国科学技术研究院

该团队没有使用量子比特，而是使用了一种称为 qudit 的更高维形式的量子信息。Qudit 是一个量子单元，除了传统量子比特可以表示的 0 和 1 之外，还可以具有多种状态，包括 0、1 和 2，这对于复杂的量子计算非常有利。

在这项研究中，通过单光子的轨道角动量状态实现了 qudit，并且可以通过全息图像调整光子的相位来扩展维度。这允许在没有复杂量子门的情况下进行高维计算，从而减少了错误。

该团队使用该方法通过 VQE 进行量子化学计算，以估计 4 维氢分子和 16 维氢化锂 （LiH） 分子之间的键长，这是首次在光子系统中实现 16 维计算。

虽然 IBM、Google 和其他公司的传统 VQE 需要错误缓解技术来提高化学准确性，但 KIST 团队的 VQE 在没有任何错误缓解技术的情况下实现了化学准确性。这证明了如何用更少的资源实现高精度，显示了在分子特性很重要的行业中广泛应用的潜力。它还有望在解决气候建模等复杂问题时发挥作用。

KIST 的 Hyang-Tag Lim 博士说：“通过确保基于 qudit 的量子计算技术，可以用更少的资源实现化学精度，我们预计它将被用于各种实际领域，例如开发新药和提高电池性能。

更多信息：Byungjoo Kim 等人，使用光子轨道角动量态的基于 Qudit 的变分量子特征求解器，Science Advances（2024 年）。DOI： 10.1126/sciadv.ado3472

期刊信息： Science Advances