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量子計算機：科學(xué)家用來尋找地外生命

來源：中關(guān)村在線 2021-10-08 17:19:05

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外媒報道，量子計算機正在協(xié)助研究人員在宇宙中尋找我們星球以外的生命 -- 盡管還不能確定他們會找到真正的外星人，但實驗的結(jié)果可能幾乎同樣令人興奮。

提供量子軟件服務(wù)的Zapata計算公司已經(jīng)宣布與英國赫爾大學(xué)建立新的合作關(guān)系，科學(xué)家們將利用量子計算工具最終幫助他們探測外太空中可能是生命前體的分子。

在為期八周的項目中，量子資源將與經(jīng)典計算工具相結(jié)合，以更高的精度解決復(fù)雜的計算問題，最終目標是找出量子計算是否能夠為天體物理學(xué)家的工作提供有益的推動，盡管該技術(shù)目前存在局限性。

另見。量子計算有兩種類型?，F(xiàn)在一家公司說它想同時提供這兩種。

探測太空中的生命是一項聽起來就很棘手的任務(wù)。這一切都歸結(jié)為找到有可能創(chuàng)造和維持生命的分子的證據(jù)--由于科學(xué)家們沒有辦法親自出去觀察這些分子，他們不得不依靠其他方法。

通常情況下，天體物理學(xué)家關(guān)注的是光，它可以通過望遠鏡進行分析。這是因為光--例如，由附近恒星產(chǎn)生的紅外輻射--經(jīng)常與外層空間的分子發(fā)生作用。而當它這樣做時，這些粒子會振動、旋轉(zhuǎn)，并吸收一些光，在光譜數(shù)據(jù)上留下特定的簽名，可以被地球上的科學(xué)家撿到。

因此，對于研究人員來說，所要做的就是檢測這些簽名，并追溯到它們所對應(yīng)的分子。

問題是什么？麻省理工學(xué)院的研究人員先前已經(jīng)確定，超過14,000種分子可以表明系外行星大氣中的生命跡象。換句話說，在天體物理學(xué)家繪制出這些分子可能與光相互作用的所有不同方式的數(shù)據(jù)庫之前，還有很長的路要走 -- 他們在將望遠鏡指向其他行星時應(yīng)該尋找的所有特征。

這就是赫爾大學(xué)為自己設(shè)定的挑戰(zhàn)：該機構(gòu)的天體物理學(xué)中心實際上希望生成一個可檢測到的生物特征數(shù)據(jù)庫。

赫爾大學(xué)分子物理學(xué)和天體化學(xué)高級講師David Benoit解釋說，二十多年來，研究人員一直在使用經(jīng)典的方法來嘗試和預(yù)測這些特征。然而，這種方法正在迅速耗盡。

赫爾中心的研究人員進行的計算涉及準確描述電子在感興趣的分子中如何相互作用--想想氫氣、氧氣、氮氣等等。"Benoit告訴ZDNet："在經(jīng)典計算機上，我們可以描述相互作用，但問題是這是一個因子算法，這意味著你有越多的電子，你的問題就會增長得越快。

"例如，我們可以用兩個氫原子來做，但是當你有更大的東西時，比如二氧化碳，你就開始有點失去勇氣了，因為你使用的是超級計算機，甚至它們也沒有足夠的內(nèi)存或計算能力來完全做到這一點。"

因此，用經(jīng)典手段模擬這些相互作用，最終是以準確性為代價的。但正如Benoit所說，你不希望成為聲稱在一顆外行星上探測到生命的人，而它實際上是別的東西。

然而，與經(jīng)典計算機不同的是，量子系統(tǒng)是建立在量子力學(xué)原理之上的--那些在最小尺度上支配粒子行為的原理：與分子中電子和原子的行為所依據(jù)的原理相同。

這促使伯努瓦向薩帕塔提出了一個 "瘋狂的想法"：用量子計算機來解決太空中的生命量子問題。

"這個系統(tǒng)是量子的，所以與其拿一個經(jīng)典計算機來模擬所有的量子事物，不如拿一個量子事物來代替測量，嘗試提取我們想要的量子數(shù)據(jù)，"貝諾特解釋說。

因此，量子計算機在本質(zhì)上可以準確計算定義分子等復(fù)雜量子系統(tǒng)行為的模式，而不必像經(jīng)典模擬那樣需要巨大的計算能力。

從量子計算中提取的關(guān)于電子行為的數(shù)據(jù)，然后可以與經(jīng)典方法相結(jié)合，模擬空間中感興趣的分子與光接觸時的特征。

目前可用于進行這類計算的量子計算機仍然是有限的：大多數(shù)系統(tǒng)沒有突破100量子比特的數(shù)量，這不足以為非常復(fù)雜的分子建模。

Benoit解釋說，這并沒有讓該中心的研究人員退縮。"我們要把一些小東西，從這個小系統(tǒng)的量子行為推斷到真實的系統(tǒng)，"Benoit說。"我們已經(jīng)可以使用從幾個量子比特得到的數(shù)據(jù)，因為我們知道數(shù)據(jù)是精確的。然后，我們可以進行推斷。"

這并不是說現(xiàn)在已經(jīng)到了擺脫該中心的超級計算機的時候，Benoit繼續(xù)說道。該計劃才剛剛開始，在接下來的八周里，研究人員將找出是否有可能在小范圍內(nèi)提取那些精確的物理學(xué)，這要感謝量子計算機，以協(xié)助大規(guī)模計算。

"這是試圖看看我們能把量子計算推到什么程度，"Benoit說，"并看看它是否真的有效，是否真的像我們認為的那樣好。"

如果該項目成功，它可以構(gòu)成量子計算機的一個早期使用案例--它可以證明該技術(shù)的有用性，盡管它目前存在技術(shù)局限性。這本身就是一個相當好的成就；下一個里程碑可能是發(fā)現(xiàn)我們的外行星鄰居。

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