受量子计算启发的用于模拟聚合物材料的新算法

量子计算的出现为解决传统计算机无法解决的问题开辟了以前难以想象的前景，从密码学和药理学到分子和材料的物理和化学性质。然而，当今量子计算机的计算能力仍然相对有限。

《科学进展》上新发表的一项研究促进了量子计算和传统计算方法之间的意外联盟。该研究小组由的里雅斯特SISSA的CristianMicheletti和FrancescoSlongo、特伦托大学的PhilippHauke和米兰比可卡大学的PietroFaccioli组成，使用了一种名为QUBO的数学方法(来自“二次无约束二元优化”)它非常适合称为“量子退火器”的特定量子计算机。

该研究利用QUBO方法以全新的方式模拟致密聚合物混合物，这是生物学和材料科学的核心复杂物理系统。

结果?与传统技术相比，量子计算机的计算性能得到了重大提升，从而为这些新兴技术的巨大潜力提供了一个重要的例子。

值得注意的是，即使在传统计算机上采用，QUBO方法也被证明特别有效，使研究人员能够发现模拟聚合物混合物的惊人特性。鉴于该研究中使用的方法自然适合转移到许多其他分子系统，其影响可能是深远的。

受量子计算研究启发的新视角

“长期以来，被称为‘蒙特卡洛’的模拟技术一直是研究复杂系统(例如合成聚合物或生物系统，例如DNA)的最强大、最优雅和最通用的方法之一，”协调这项研究的CristianMicheletti解释道。

“然而，随着系统密度和尺寸的增加，这些方法的效率会下降。因此，研究现实系统，例如细胞核中染色体的组织，需要大量的计算资源投资。”

SISSA博士生、该研究的第一作者FrancescoSlongo继续说道：“尽管新技术不可避免地存在局限性，但量子计算机有望大幅提升计算性能。这就是新的模拟策略的用武之地，它非常适合当今开创性的量子计算机，甚至可以成功地转移到传统计算机上。”

正如PhilippHauke和PietroFaccioli指出的那样：“目前，已经存在专门用于解决QUBO问题的量子机器，而且它们非常有效。我们在QUBO框架中重新构建了传统的聚合物模型，以最佳地利用此类机器。令人惊讶的是，QUBO重新构建也证明了“在传统计算机上具有优势，与现有方法相比，可以更快地模拟致密聚合物。因此，我们为这些系统建立了以前未知的属性，所有这些都使用标准计算机。”

以前曾发生过为充分利用创新计算技术而创建的物理模型如此成功，最终被转移到不同领域的情况。最著名的案例是为20世纪90年代的超级计算机设计的基于晶格的流体模型，但现在广泛用于许多其他系统和类型的计算机。

《科学进展》中的这项研究提供了进一步的例子，展示了受量子计算启发的方法如何为探索新材料和理解具有生物学意义的分子系统的工作方式铺平道路。