氢分子可能是最简单的双原子系统了,许多量子化学的教科书中都有求解氢分子能级的例题.虽然大部分书不会印上完整的求解过程,因为直接使用量子力学求解氢分子能级仍然及其复杂.最近,美国和澳大利亚的一组物理学家和化学家第一次使用量子计算机求解了此系统的能级,他们的量子计算机很原始,由两个处于纠缠态的光子组成.

    量子计算机使用量子物理的二态系统来模拟二进制的0和1,量子计算的大概思路是输入2的n次方个数据,这些数据以线性叠加的方式组成了一个可以用n个量子元表示的态(可以想象有一串n个灯,灯有熄灭和点燃2种状态,通过每个灯开关变化,整个一串灯有2的n次方种状态),此态通过一系列的幺正变换,输出2的n次方个结果,设计不同的幺正变换,就可以在2的n次方个结果中进行选择.

    量子计算中有种很著名的算法叫做Shor因数分解算法,此算法利用到量子快速傅立叶变换,傅立叶变换可以写成一个N*N维的矩阵,这时的复杂度为O(N*N),一般来说,N越大,算的越精确,但相应的计算量增大更快,对于量子计算机来说,通过一系列的矩阵分解后,计算的复杂度可以降为(LogN*LogN),这是数量级上的改善,同样的质数分解,量子计算机1秒的运算要抵上传统计算机许多年的运算.

    这次的结果由哈佛大学的Alan Aspuru-Guzik和昆士兰大学的Andrew White两人领导的小组完成.他们的量子计算机中0和1分别是光子的水平和垂直方向的偏振,其中一个光子代表氢分子,此光子的两个态分别代表氢分子的成键态和反成键态,另一个光子代表一个二进制数据,此数据与氢分子的总能量相关.

    实验通过迭代相位估算法(iterative phase estimation algorithm, IPEA)来求解氢分子的能量.实验用到的两个纠缠态光子由自发参数下转换(Spontaneous parametric down-conversion, SPDC)获得,接着代表氢分子的光子穿过一系列光学组件,这些光学组件模拟电子和原子核的相互作用,也可以说是氢分子的能量.穿过这些光学组件后,这个光子的量子态会发生变化,氢分子能量不同,光子的相位变化会不同.

    因为两个光子处于纠缠态,所以一个光子的变化会影响另一个光子.也就是说代表二进制数据的光子也发生了变化.接着通过分光镜确定偏振,继而得到这个二进制数据,因为实验的不确定误差,重复测量30次.数据获得后再反馈给光学系统,调整光学系统后测第二个二进制数据,这次实验一共测了20次,获得了个20比特的二进制数,把氢分子能量精确到了百万分之一. 还有个问题就是氢分子由两个氢原子组成,两原子之间能量不同,氢分子的能量也不同,而上面的一次实验只能给出某一确定间距下的能量,因此,实验又重复做了多次,得到了不同间距下的氢分子能量.

    实验的结果与用传统计算机计算的一样. Aspuru-Guzik认为这次的2-量子比特计算如同婴儿刚开始学步走路,如果要处理类似水分子这样的系统,需要128-量子比特的计算机.他们有计划进行这类计算,同时,Aspuru-Guzik在寻找有能力进行束缚离子或者超导量子比特计算的合作者. 这项成果于2010年1月10日发表在Nature Chemistry上.