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化學

量子電腦加速未來化學

2021-11-01 賈西亞(Jeannette M. Garcia)
把量子電腦應用在化學研究,使模擬分子作用的精準度更上層樓,化學家不再憑運氣取得重大突破。

重點提要

  1. 化學反應很複雜,科學家難以掌握簡單分子的能量變化。以傳統電腦計算幾個電子之間的交互作用,計算量龐大且耗時。
  2. 現在可以運用量子電腦來模擬電子之間的交互作用,為氫化鋰(LiH)這種小分子建構理論模型,並準確描述其能量特性。
  3. 如今模擬化學反應,仍需借重傳統電腦的運算能力,並利用量子計算模擬化學反應中獨特的交互作用,達到最大效益。


身為化學家,我有很大一部份成就要歸功於機緣巧合。2012年,我在對的時間,於對的地點(IBM位於美國加州阿馬丹的研究實驗室),做了「錯誤」的事情。我應該在燒杯裡混合三種成份,以期製造出一種已知的材料。實驗目標是要用一種源自於塑膠廢棄物的成份來取代常用的成份,增加熱固形聚合物(thermoset polymer)這類強韌塑膠的永續性。


事與願違,當我把兩種成份混在一起,燒杯裡形成了一種堅硬的白色塑膠物質,我必須打破燒杯才能把它拿出來。更有甚者,它浸在稀酸(dilute acid)裡一整夜之後會恢復成原先的材料。


我陰錯陽差發現了全新系列的可回收熱固形聚合物!如果我認為這項實驗失敗而沒有進行後續的研究,就永遠不知道當時製造出了什麼。這是最美好的科學意外,遵循了美國化學家普倫凱特(Roy Plunkett)的高貴傳統,他在研究冷卻劑氣體的化學作用時無意間發明鐵氟龍(Teflon)。


現在我有了新的目標:減少憑藉運氣獲致化學發現的情況。氣候危機和嚴重特殊傳染性肺炎(COVID-19)這類挑戰是如此巨大,我們不能單靠運氣。大自然既複雜又強大,如果想要達到必要的科學進展,就必須精準模擬自然。具體而言,如果想推進化學領域的發展,就必須能夠以高度自信理解化學反應的能量學(energetics)。這不是新的洞見,但凸顯了一個主要限制:即使用最強大的傳統電腦也無法完全準確預測簡單分子的行為。這時量子計算就提供了在未來幾年獲得重大進展的可能性。


以傳統電腦模擬化學反應需採用近似法(approxi-mation),因為就連幾個電子的量子效應,傳統電腦也無法精準計算,這種計算量太過龐大與耗時。每次採取近似法都會降低電腦模型的價值,化學家為了驗證並導引模型,實驗室的工作量也因此增加。


然而,量子計算的運作方式不一樣。每個量子位元(qubit)都能對應特定電子的自旋軌域(spin orbital);量子電腦可以利用量子現象(例如纏結),來描述電子之間的交互作用,不需要用到近似法。現在量子電腦已經可以開始模擬氫化鋰(LiH)這類小分子的能量學與特性,拓展了建立電腦模型的諸多可能性,指引一條通往新發現的道路。


模擬化學反應

量子化學並不是新的研究領域。20世紀初期,德國化學家例如海特勒(Walter Heitler)和倫敦(Fritz London)就證明,可以透過量子力學了解共價鍵(covalent bond)。20世紀末葉,傳統電腦計算能力的增長,已經讓化學家能進行一些基本模擬。


即使如此,在2000年代中期,當我在波士頓學院攻讀博士學位時,很少實驗化學家(bench chemist)具有運用電腦進行這類化學模擬的實用知識。這兩個學科(和牽涉其中的技能)差異太大了。與其探索計算方法的見解,實驗化學家仍依循試誤法(trial-and-error),希望能獲得有所根據(但通常是走運)的發現。我有幸能在化學系教授哈維達(Amir Hoveyda)的研究團隊裡工作,他很早就體認到結合實驗研究和理論研究的價值。


如今,對化學反應進行理論研究和模擬以了解實驗結果已司空見慣,這是理論學科變得更成熟的結果,實驗化學家開始把理論模型整合到研究中。產出的模型與實驗室裡的發現形成有用的回饋迴路。舉例來說,一種名為高通量篩檢(high-throughput screening,又稱高速藥物篩檢)的試誤實驗法,會產生大量的化學資料,科學家能藉此建立完善的化學模型。這些模型能應用於產業,包括藥物開發和材料實驗。


這些模型受限於必須簡化:在模擬的每個階段,必須選出一個特定範圍,犧牲一些精準度,讓電腦實際能夠處理模型。用專業術語來說,就是處理「粗粒化」(coarse-grained)模型。每次簡化都會減少模型的整體精準度,限制了研究發現的可用性。資料越粗糙,實驗室的工作就更繁重。


量子計算則不一樣。在最純粹的情況下,量子計算能讓我們照實模擬大自然,而無須使用近似法。很多人引用費曼(Richard Feynman)說過的一句話:「大自然並不是古典的,如果你想要模擬大自然,最好採用量子力學。」最近幾年,量子電腦的效能有了快速進展。量子體積(quantum volume)是評估量子位元在系統中質與量的指標;2020年IBM讓旗下產品的量子體積倍增,並預計在2023年之前生產配備1000多個量子位元的晶片,相較之下,2016年的晶片只有個位數的量子位元。業界其他公司也紛紛對自家旗下量子電腦的效能提出大膽宣言......


# 關鍵字:化學量子電腦氫化鋰
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