去年秋天，谷歌的研究人员宣布他们实现了“量子霸权”——量子计算机能够完成超出普通计算机能力的任务——当时有些人想知道这有什么大不了的。批评人士说，该程序检查的是随机数发生器的输出，实用价值有限，并没有证明该公司的机器能够做任何有用的事情。
然而，现在，谷歌的量子计算机取得了一些可能具有实际应用价值的成果：成功地模拟了一个简单的化学反应。这一壮举为量子化学指明了方向，量子化学可以扩展科学家对分子反应的理解，并带来有用的发现，例如更好的电池、制造肥料的新方法以及改进空气中二氧化碳去除方法。
去年的量子霸权实验是在一个名为“西克莫”的芯片上进行的，该芯片包含 53 个超导量子比特。量子比特被冷却到接近绝对零度，呈现出量子力学特性，使科学家能够以比构成经典计算机比特的简单“开/关”电流流动更复杂和更有用的方式来操纵它们。人们希望有一天，量子计算机将变得足够强大，能够快速完成经典计算机需要宇宙寿命才能完成的计算。
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这项量子化学实验于 8 月 28 日发表在《科学》杂志上，它依赖于相同的基本“西克莫”设计，尽管它只使用了 12 个量子比特。但谷歌项目的算法开发负责人瑞安·巴布什表示，这证明了该系统的多功能性。“它表明，实际上，这种设备是一台完全可编程的数字量子计算机，可以用于您可能尝试的任何任务，”他说。
该团队首先模拟了一个由 12 个氢原子组成的分子能量状态的简化版本，其中 12 个量子比特中的每个量子比特代表一个原子的单个电子。然后，他们模拟了一个含有氢原子和氮原子的分子中的化学反应，包括当该分子的氢原子从一侧移动到另一侧时，其电子结构将如何变化。由于电子的能量决定了在给定温度或不同分子浓度下反应发生的快慢，因此这种模拟可以帮助化学家准确地了解该反应如何工作——以及如果他们改变温度或化学混合物，反应会如何变化。
研究人员运行的模拟，称为 Hartree-Fock 程序，也可以在经典计算机上执行，因此它本身并没有证明量子计算机的优越性。而且它是在经典计算机的帮助下运行的，经典计算机使用机器学习来评估每次计算，然后改进新一轮的量子模拟。但谷歌量子团队的研究科学家尼古拉斯·鲁宾表示，这项壮举验证了该项目的基本方法，这将是未来量子化学模拟不可或缺的一部分。而且它比之前量子计算机上保持记录的化学计算规模大了一倍。
2017 年，IBM 使用六个量子比特进行了量子化学模拟。鲁宾说，该结果描述了一个分子系统，其复杂程度在 1920 年代的科学家可以手工计算。谷歌的项目将这个数字翻了一番，达到 12 个量子比特，解决了一个可以用 1940 年代计算机计算的系统。“如果我们再次将它翻一番，我们可能会达到 1980 年左右的水平，”巴布什补充道。“如果我们再次翻一番，那么我们可能会超越今天经典计算机所能做到的水平。”
斯坦福大学理论物理研究所的博士后研究员袁晓表示，到目前为止，还没有量子计算机取得经典计算机无法取得的成就。他在《科学》杂志上撰写了评论，对谷歌的论文进行了评论。甚至该公司在 2019 年取得的量子霸权也受到了 IBM 研究人员的质疑，他们展示了一种在超级计算机上在两天半内获得相同结果的方法，尽管谷歌的版本只用了三分多钟。但是，袁说，量子化学实验是朝着一个主要目标迈出的重要一步。“如果我们能用量子计算机来解决一个经典的难题和有意义的问题，那将真的是最令人兴奋的消息，”他补充道。
袁说，没有理论上的理由可以阻止科学家实现这个目标，但是从几个量子比特到几百个量子比特——最终到更多量子比特——的技术挑战将需要大量的复杂工程。拥有数百万量子比特的通用量子计算机将需要开发纠错协议，这是一个特别艰巨的问题，可能需要十年或更长时间才能解决。但是，所谓的噪声中等规模量子计算机，即没有完全纠错功能的量子计算机，可能在过渡时期仍然被证明是有用的。
多伦多大学量子化学先驱阿兰·阿斯普鲁-古兹克说，化学与量子计算非常匹配，因为化学反应本质上是量子的。要完全模拟这样的反应，必须知道所有参与电子的量子态。还有什么比使用另一个量子系统来模拟量子系统更好的方法呢？阿斯普鲁-古兹克说，早在工程师开发出通用可编程量子计算机之前，拥有少量量子比特的设备应该能够在化学中一系列有趣的问题上超越经典计算机。“所以这是一件大事，但这还不是故事的结局，”他补充道。
例如，阿斯普鲁-古兹克正在寻找更好的电池材料来存储风力涡轮机和太阳能电池产生的能量。这种材料的特性可能存在冲突：它们需要足够活跃才能快速充电和放电，但仍要足够稳定以避免爆炸或着火。反应的计算机模型可以帮助确定这种棘手任务的理想材料。这种模型对于开发新药也很重要。
即便如此，量子计算机可能不是模拟化学反应的唯一革命性新方法，阿斯普鲁-古兹克说。人工智能有可能开发出足够高效的算法，以便在经典计算机上运行可用的模拟。为了对冲风险，他的实验室同时研究这两种可能性：它正在开发用于在中档量子计算机上运行的新算法，并创建人工智能驱动的机器人来发现新型材料。
但谷歌的工作让阿斯普鲁-古兹克乐观地认为，量子计算可以在不久的将来解决有趣的问题。“这是当今量子计算机可以做到的最好的，”他说。“但是，在硬件和软件方面，还有很多工作要做才能实现这一目标。”