量子计算助力首个半莫比乌斯分子设计与模拟

在今天发表于《科学》杂志的研究中，研究人员报告了首个具有半莫比乌斯电子拓扑结构分子的创造——这是一种此前甚至未曾被推测过的量子物质形态。

这个分子是逐个原子构建的，为了理解其行为特性，来自IBM、牛津大学、曼彻斯特大学、苏黎世联邦理工学院、洛桑联邦理工学院和雷根斯堡大学的团队使用了量子中心超级计算技术——一种量子系统与经典系统协同工作的新范式。

这项工作显著体现了物理学家理查德·费曼两个愿景的融合。1959年，费曼在加州理工学院面对听众宣布："底层还有很大空间。"他的意思是物质可以逐个原子地工程化；如果我们能将单个原子放置在想要的位置，就可能构建出全新的物质形态。

二十年后，费曼说："自然不是经典的...如果你想要模拟自然，最好让它成为量子力学的。"量子系统最自然地被描述，因此也最自然地被量子设备模拟。

拓扑学基础概念

拓扑学是对固有结构性质以及事物如何连接的数学研究。通常，分子中连接的原子环是"拓扑平凡的"，意味着如果你沿着原子轨道——代表电子位置的云状结构——绕环追踪，经过一次循环后会回到起始位置。

现在你可以想象一个分子，其中电子云形成一个半扭转的环，就像著名的莫比乌斯带——如果你沿着环的顶面骑行，需要绕环两次才能回到起始位置。这种额外的扭转从根本上改变了系统的对称性和性质，相比于没有扭转的拓扑平凡系统。

通过新工程化的半莫比乌斯分子，团队创造出了更加复杂的东西：电子云在完成四次完整循环后完成一次完整扭转，其电子相位每转一圈扭转90度。这种半莫比乌斯拓扑定义了一个全新的电子类别，与迄今为止已知的分子拓扑截然不同。

更引人注目的是，该系统可以在右手半莫比乌斯、左手半莫比乌斯和拓扑平凡配置之间可逆切换。这里的拓扑不是被动性质；它是被工程化、控制和操控的。

分子构建技术

分子本身（C??Cl?）是在IBM欧洲研究中心——苏黎世使用扫描探针显微镜在金的薄绝缘层上组装的，温度刚好高于绝对零度。IBM研究的三个重要科学遗产使这一发现成为可能：扫描隧道显微镜（STM）、原子操控和原子力显微镜（AFM）。

格德·宾宁和海因里希·罗雷尔于1981年在IBM欧洲研究中心——苏黎世发明了STM。这项创新使得逐个原子研究结构表面成为可能，并为宾宁和罗雷尔赢得了1986年诺贝尔物理学奖。在这里，STM用于映射分子轨道。

1989年，IBM研究员唐纳德·艾格勒使用STM设计出第一个可靠操控单个原子的技术，这一成就为他赢得了2010年卡夫利纳米科学奖。今天的团队使用原子操控来创建分子并在不同拓扑之间切换。

2016年，宾宁与前IBM研究科学家克里斯托夫·格伯和斯坦福物理学家卡尔文·奎特因发明AFM而获得卡夫利纳米科学奖。AFM使用悬臂上的探针，基于感知探针与样品之间的微小力可以高精度读取分子结构。在这个实例中，AFM用于解析半莫比乌斯分子的几何结构。

在STM发明和首次受控原子操控演示的几十年后，单原子级别的物质设计能力已经成熟为工程化新量子物质的能力。

量子计算模拟突破

创造如此复杂的分子系统令人着迷，但这只是第一步。理解它们的行为呈现了同样艰巨的挑战。这些分子展现复杂的电子结构和强量子相关性，无法仅使用传统理论工具完全解释。

传统的后Hartree-Fock模拟方法如量子蒙特卡罗、CASSCF、CASPT2、CCSD、CCSD(T)和选择性CI长期扩展了经典计算的范围，每种都代表经典范式内的显著进步。然而，半莫比乌斯系统展现强电子相关性和明显的多参考特征，意味着使用经典模拟方法研究分子的相关电子或量子力学性质极具挑战性。相关配置空间随系统大小呈指数增长。

因此，团队采用了根本不同的计算方法。

使用SqDRIFT——一种在量子中心超级计算机上运行的基于样本的量子对角化算法，团队探索了远超暴力经典对角化能直接访问的活跃空间。通过在IBM Heron处理器的多达100个量子比特上执行SqDRIFT计算，证明了结果的收敛性。目标不是孤立地展示硬件性能，而是解码新合成量子材料的电子结构。

量子算法不是压缩或近似希尔伯特空间的指数结构，而是直接在物理量子比特中表示它。量子模拟帮助揭示了拓扑切换的起源，这种效应称为螺旋伪Jahn-Teller效应，本质上是由扭转几何引起的分子电子结构调整，为实验观察到的电子指纹提供了微观解释。量子模拟还证实了电子附着的扭转分子轨道预测，这是半莫比乌斯拓扑的标志。

在这种情况下，量子计算不是在玩具示例上的原理验证——它是用于解释真实实验数据的科学仪器。

量子化学应用前景

这项工作标志着在量子化学中使用量子计算的重要进步。团队将量子硬件应用于研究实验实现的系统，其复杂性挑战了传统方法。

在现阶段，SqDRIFT不旨在取代经典方法；它补充了它们。除了前述的模拟方法，我们现在可以向后Hartree-Fock工具箱添加一个新成员，一个基于完全不同计算范式的成员。由于其更好的缩放行为，很快将超越其对应方法的一些能力。此外，随着下一代量子计算机的出现，IBM看到了在研究大活跃空间分子方面实现量子优势的现实路径。

里程碑意义

这一里程碑的重要性不仅来自工程化的分子，也不仅来自新颖的量子算法，而是来自它们的融合。

奇异分子通过原子操控制造，量子处理器用于通过基于相同物理定律的算法模拟它们的行为。制造和模拟相互强化：实验创造和探索新量子物质，而量子计算提供预测和解释力。

最终，这种实验和量子计算的结合探索了费曼所说的空间，并加深了我们对量子物理——支配我们世界的基本定律的理解。从这个意义上说，这种方法体现了费曼的愿景，将它们变为现实。我们现在拥有逐原子工程化分子的工具，这需要在量子级别进行研究。如果自然是量子的，那么用量子系统模拟它不仅是可能的，更是自然的道路。

Q&A

Q1：半莫比乌斯分子是什么？它有什么特殊之处？

A：半莫比乌斯分子是首个具有半莫比乌斯电子拓扑结构的分子，电子云在完成四次完整循环后完成一次完整扭转，每转一圈电子相位扭转90度。这种拓扑结构定义了全新的电子类别，系统可以在右手半莫比乌斯、左手半莫比乌斯和拓扑平凡配置之间可逆切换。

Q2：为什么需要用量子计算来研究这种分子？

A：半莫比乌斯分子展现强电子相关性和明显的多参考特征，传统经典模拟方法难以完全解释其复杂电子结构。量子算法能直接在物理量子比特中表示希尔伯特空间的指数结构，而不是压缩或近似，因此更适合研究这种量子物质的电子性质。

Q3：这项研究在量子计算应用方面有什么突破？

A：这是量子计算在量子化学领域的重要应用突破，不是在玩具示例上的原理验证，而是用于解释真实实验数据的科学仪器。团队使用SqDRIFT算法在IBM Heron处理器上进行计算，为后Hartree-Fock工具箱添加了基于全新计算范式的方法。