格德·賓寧和海因里?！ち_雷爾于1981年在IBM歐洲研究中心——蘇黎世發明了STM。這項創新使得逐個原子研究結構表面成為可能，并為賓寧和羅雷爾贏得了1986年諾貝爾物理學獎。在這里，STM用于映射分子軌道。

1989年，IBM研究員唐納德·艾格勒使用STM設計出第一個可靠操控單個原子的技術，這一成就為他贏得了2010年卡夫利納米科學獎。今天的團隊使用原子操控來創建分子并在不同拓撲之間切換。

2016年，賓寧與前IBM研究科學家克里斯托夫·格伯和斯坦福物理學家卡爾文·奎特因發明AFM而獲得卡夫利納米科學獎。AFM使用懸臂上的探針，基于感知探針與樣品之間的微小力可以高精度讀取分子結構。在這個實例中，AFM用于解析半莫比烏斯分子的幾何結構。

在STM發明和首次受控原子操控演示的幾十年后，單原子級別的物質設計能力已經成熟為工程化新量子物質的能力。

量子計算模擬突破

創造如此復雜的分子系統令人著迷，但這只是第一步。理解它們的行為呈現了同樣艱巨的挑戰。這些分子展現復雜的電子結構和強量子相關性，無法僅使用傳統理論工具完全解釋。

傳統的后Hartree-Fock模擬方法如量子蒙特卡羅、CASSCF、CASPT2、CCSD、CCSD(T)和選擇性CI長期擴展了經典計算的范圍，每種都代表經典范式內的顯著進步。然而，半莫比烏斯系統展現強電子相關性和明顯的多參考特征，意味著使用經典模擬方法研究分子的相關電子或量子力學性質極具挑戰性。相關配置空間隨系統大小呈指數增長。

因此，團隊***用了根本不同的計算方法。

使用SqDRIFT——一種在量子中心超級計算機上運行的基于樣本的量子對角化算法，團隊探索了遠超暴力經典對角化能直接訪問的活躍空間。通過在IBM Heron處理器的多達100個量子比特上執行SqDRIFT計算，證明了結果的收斂性。目標不是孤立地展示硬件性能，而是解碼新合成量子材料的電子結構。

量子算法不是壓縮或近似希爾伯特空間的指數結構，而是直接在物理量子比特中表示它。量子模擬幫助揭示了拓撲切換的起源，這種效應稱為螺旋偽Jahn-Teller效應，本質上是由扭轉幾何引起的分子電子結構調整，為實驗觀察到的電子指紋提供了微觀解釋。量子模擬還證實了電子附著的扭轉分子軌道預測，這是半莫比烏斯拓撲的標志。

在這種情況下，量子計算不是在玩具示例上的原理驗證——它是用于解釋真實實驗數據的科學儀器。

量子化學應用前景

這項工作標志著在量子化學中使用量子計算的重要進步。團隊將量子硬件應用于研究實驗實現的系統，其復雜性挑戰了傳統方法。

在現階段，SqDRIFT不旨在取代經典方法；它補充了它們。除了前述的模擬方法，我們現在可以向后Hartree-Fock工具箱添加一個新成員，一個基于完全不同計算范式的成員。由于其更好的縮放行為，很快將超越其對應方法的一些能力。此外，隨著下一代量子計算機的出現，IBM看到了在研究大活躍空間分子方面實現量子優勢的現實路徑。

里程碑意義

這一里程碑的重要性不僅來自工程化的分子，也不僅來自新穎的量子算法，而是來自它們的融合。

奇異分子通過原子操控制造，量子處理器用于通過基于相同物理定律的算法模擬它們的行為。制造和模擬相互強化：實驗創造和探索新量子物質，而量子計算提供預測和解釋力。

最終，這種實驗和量子計算的結合探索了費曼所說的空間，并加深了我們對量子物理——支配我們世界的基本定律的理解。從這個意義上說，這種方法體現了費曼的愿景，將它們變為現實。我們現在擁有逐原子工程化分子的工具，這需要在量子級別進行研究。如果自然是量子的，那么用量子系統模擬它不僅是可能的，更是自然的道路。

Q&A

Q1：半莫比烏斯分子是什么？它有什么特殊之處？

A：半莫比烏斯分子是首個具有半莫比烏斯電子拓撲結構的分子，電子云在完成四次完整循環后完成一次完整扭轉，每轉一圈電子相位扭轉90度。這種拓撲結構定義了全新的電子類別，系統可以在右手半莫比烏斯、左手半莫比烏斯和拓撲平凡配置之間可逆切換。

Q2：為什么需要用量子計算來研究這種分子？

A：半莫比烏斯分子展現強電子相關性和明顯的多參考特征，傳統經典模擬方法難以完全解釋其復雜電子結構。量子算法能直接在物理量子比特中表示希爾伯特空間的指數結構，而不是壓縮或近似，因此更適合研究這種量子物質的電子性質。

Q3：這項研究在量子計算應用方面有什么突破？

A：這是量子計算在量子化學領域的重要應用突破，不是在玩具示例上的原理驗證，而是用于解釋真實實驗數據的科學儀器。團隊使用SqDRIFT算法在IBM Heron處理器上進行計算，為后Hartree-Fock工具箱添加了基于全新計算范式的方法。返回搜狐，查看更多