理大科學家利用量子微型處理器晶片實現革命性分子譜模擬計算

量子模擬為科學家模擬及研究各種傳統電腦難以處理的複雜系統，包括金融建模、網絡安全、藥物研發、人工智能及機器學習等。其中，探索分子振動譜對於理解分子設計和分析中的分子特性至為關鍵，然而，這一直是傳統超級電腦難以有效解決的長期運算難題。雖然研究人員正努力開發模擬分子振動譜的量子電腦和演算法，但受限於準確性和計算資源等問題，目前僅限於簡單的分子結構。

香港理工大學（理大）的研究團隊成功研發出世界首創的16位量子比特半導體微型處理器晶片，為模擬大型複雜分子譜提供了全新的解決方案，團隊精心設計基於量子疊加與量子糾纏模擬方案，而傳統方式則需要耗費大量的運算時間。此項研究成果已發表於《自然通訊》( Nature Communications)，題為「基於壓縮真空態製備的大尺度光子網路用於分子振動譜模擬」。這項尖端技術為解決複雜的量子化學問題創造條件，亦為量子計算應用帶來了新的突破。

研究團隊由理大電機及電子工程學系量子工程與科學講座教授、量子技術研究院院長、傑出創科學人教授及新加坡工程院院士劉愛群教授領導，及研究論文第一作者博士後研究員朱慧慧博士主導及團隊的共同努力，合作機構包括南洋理工大學、香港城市大學、北京理工大學、南方科技大學、新加坡微電子研究所及瑞典的查爾摩斯理工大學。

朱博士與團隊透過實驗展示了這款大規模量子微型處理器晶片的強大功能。團隊利用線性光子網絡及壓縮真空量子光源來模擬分子振動譜。該16位量子微處理晶片是在單個晶片上製造和集成。團隊還研發了一套完整系統，包括用於量子光子微型處理器晶片與控制模組的光電熱封裝、驅動軟件及用戶介面，以及可程式化的底層量子演算法。開發的量子電腦系統可應用不同計算模型。

量子微型處理器可用於處理複雜任務，例如更加快捷、準確地模擬大型蛋白質結構或優化分子反應。朱博士表示：「我們的方法可以突破傳統限制，實現早期的實用分子模擬，有望在相關的量子化學應用中實現量子加速。」

量子技術在材料科學、化學及凝聚體物理學等科學領域非常重要。量子微型處理器晶片是量子電腦的核心技術，為量子信息處理提供不可替代的技術方案。

該研究成果為無數實際應用打開了新的大門，包括解決分子對接問題，以及使用圖形分類等量子機器學習技術。劉教授說：「我們的研究為解決實際的量子模擬技術開闢了新途徑。下一步，我們將擴大微型處理器的規模，以應對更複雜的應用，造福社會。」

團隊在量子技術方面取得了重大突破，成功解決了使用量子計算微型處理器進行分子譜儀模擬的難題，是微型處理器及量子計算應用發展的又一個重要里程碑。