量子飞跃：聚合物模拟的新前沿

一项新的研究成功地融合了量子和传统计算技术，以改善复杂系统的模拟。使用QUBO技术，研究人员在模拟聚合物混合物方面获得了更好的计算性能，显示出在分子研究中更广泛应用的潜力。

一项新的研究表明，如何利用量子计算来发现对生物学和材料科学至关重要的聚合物系统的新特性。

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无法想象的视角，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。 一项新发表在《科学进展》（Science Advances）上的研究促进了量子计算和传统计算方法之间的意想不到的联盟。

该研究小组由的里雅斯特SISSA的Cristian Micheletti和Francesco Slongo，特伦托大学的Philipp Hauke和米兰比可卡大学的Pietro Faccioli组成，他们使用了一种名为QUBO（来自“二次无约束二进制优化”）的数学方法，该方法非常适合特定的量子计算机，称为“量子退火器”。

革新聚合物仿真

该研究利用QUBO方法以一种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核心的复杂物理系统。 结果呢？ 与传统技术相比，量子计算机的计算性能得到了大幅提升，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，也被证明是特别有效的，使研究人员能够发现模拟聚合物混合物的惊人特性。

鉴于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

“被称为’蒙特卡洛’的模拟技术长期以来一直是研究复杂系统（如合成聚合物或生物聚合物，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Cristian Micheletti解释说。 “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。

该研究的第一作者、SISSA博士生Francesco Slongo继续说道：“量子计算机有望大幅提高计算性能，尽管新技术不可避免地存在局限性。 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。

连接量子计算和经典计算

正如 Philipp Hauke 和 Pietro Faccioli 所指出的那样，“目前，已经存在专门用于解决 QUBO 的量子机器，它们可以非常有效。 我们在 QUBO 框架中重新制定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的重新配方在传统计算机上也被证明是有利的，与现有方法相比，可以更快地模拟致密聚合物。 多亏了这一点，我们为这些系统建立了以前未知的属性，所有系统都使用标准计算机。

影响、挑战和未来方向

以前发生过，为充分利用创新计算技术而创建的物理模型已经变得如此成功，最终被转移到不同的领域。 最著名的案例是为1990年代的超级计算机设计的基于格子的流体模型，但现在广泛用于许多其他系统和类型的计算机。

《科学进展》（Science Advances）上的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生物感兴趣的分子系统的工作铺平道路。