日本理化学研究所RIKEN的研究人员开发了一种量子计算算法，可高效准确地计算复杂材料中的原子级相互作用。物理学家理查德·费曼于1981年首次提出量子计算机的应用，而该算法有可能为凝聚态物理学和量子化学带来前所未有的新局面。

量子计算机有望增强数字处理能力和破解传统计算机无法解决的问题。

量子比特是量子计算机的构建模块，本质上是微小系统——例如纳米晶体或超导电路——受量子物理定律的支配。与传统计算机中使用的比特（可以是1或0）不同，量子比特可以同时具有多个值。正是量子比特的这种特性使量子计算机在速度方面具有优势。

非常规的计算方式还需要一个新视角来了解如何有效地处理数据，以解决传统计算机难以解决的问题。

一个值得注意的例子是时间演化算子。“时间演化算子是描述量子材料复杂行为的巨大数字网格，”RIKEN量子计算中心的Kaoru Mizuta解释说：“它们非常重要，因为它们为量子计算机提供了非常实际的应用，可以更好地理解量子化学和固体物理学。

显示铜酸盐高温超导体的两种状态。用于构建量子电路，可以帮助计算超导体等量子材料。（图片来源：美国能源部/科学图片库）

迄今为止展示的量子计算机原型已经使用一种相对简单的技术（称为Trotterization）实现了时间演化算子。但是Trotterization不能普适未来的量子计算机，因为它需要大量的量子门，因此需要大量的计算时间。研究人员一直在努力创建量子算法，用于使用较少量子门的精确量子模拟。

现在，Mizuta与来自日本各地的同事合作，提出了一种更有效、更实用的算法。它属于混合量子经典方法，能够以较低的计算成本编译时间演化算子，使其能够在小型量子计算机甚至传统计算机上执行任务。

“我们已经建立了一个新的协议来构建量子电路，可以在量子计算机上高效准确地再现时间演化算子，”Mizuta解释说。“通过将小型量子算法与量子动力学的基本定律相结合，我们的协议成功地设计了，使用简单的量子计算机来复制大规模量子材料的量子电路。

Mizuta和他的团队接下来打算陈述如何通过他们的方法优化的时间演化算子，应用于可以计算量子材料特性的各种量子算法。“我们预计这项工作将能展示使用小型量子计算机研究物理和化学的潜力。

编译：卉可

编辑：慕一

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