量子科技：带来崭新的未来

谈到未来技术，量子科技肯定占有一席之地。日前，中央政治局会议就量子科技研究和应用前景进行了集体学习，并要求加强量子科技发展战略谋划和系统布局。对于量子科技领域，这很可能表明我国量子领域发展即将进入快车道，并有望迎来政策方面更大的扶持力度。那么，量子科技是什么?它又能给化学化工行业带来什么?

量子科技概念为何

所谓量子科技，或者说量子技术，最简单的说法就是利用量子力学原理进行应用的技术。而所谓量子力学，是指描述微观世界的物理理论;所谓量子，是能表现出某物质或物理量特性的最小单元。换言之，量子科技实际就是利用量子力学为我们所应用的技术。实际上，目前已经有许多量子科技为人们所用，如激光、半导体和核磁共振。当然，目前其他媒体所描述的量子科技，更多偏向于量子计算和量子密码学领域，量子科技的涵盖范围其实远不止于此。

谈量子科技，不能不谈量子力学。实际上，量子力学作为描述微观世界的总体物理理论，内部包含了许多分支，实际上与牛顿力学、电磁学、热力学、相对论等物理理论平行，是现代物理学的基础理论。只不过由于微观世界的固有特性难以被人直观想象，且量子力学的基础数学工具过于复杂，量子力学总是给人一种玄幻的感觉。

对于化学领域来说，量子力学与这一领域最重要的结合是量子化学。由于任何物质的化学性质均是由其原子或分子的电子结构所决定，理论上说，能够描述微观粒子物理特性的量子力学可以用来描述化学物质的电子分布，进而可以更好的理解物质的化学性质，从而为化学化工的一些应用铺路。

量子化学早有研究

虽然量子科技这个词本身就有一点“未来感”，但实际上，量子科技早就已经有很多重要应用问世了。

早在量子力学发展之前的19世纪，科学家就已经发现了半导体。半导体的原理，正是来自于所用材料原子的一些特性。现代社会正是建立在半导体制造的各种电子元件上的。另外一个有决定性意义的应用是激光，它的原理是爱因斯坦提出的受激发射。激光是信息传输的基础，几乎所有的高速信息传输都建立在光纤的基础上，计算机也有大量的激光应用。

在化学研究中，电子显微镜和核磁共振是绝对不可或缺的技术。电子显微镜是利用电子成像的显微镜，这个理念本身就来自于物质的波粒二象性。核磁共振的原理则来自于原子核自旋产生的磁矩，在外磁场作用下自旋能级发生塞曼效应，共振吸收某一定频率的射频辐射的物理过程。今天，核磁共振除了在医学方面有重要应用外，在化学领域也是分析判断物质结构的不可或缺的手段。

量子化学是量子力学与化学的交叉学科。由于物质的化学变化在本质上是微观世界中相互接触的分子间发生原子或电子的转换或转移，要想真正研究化学变化，必然要涉及量子力学。

1925年和1926年，海森堡和薛定谔各自建立了矩阵力学和波动力学，这既标志着量子力学的诞生，也为化学家提供了认识物质化学结构的新理论工具。1927年，海特勒和伦敦将量子力学处理原子结构的方法应用于氢气分子，并成功定量阐释了两个中性原子形成化学键的过程。之后，化学家们在两位物理学家对氢气分子研究的基础上建立了3套阐释分子结构的理论，分别是鲍林在最早的氢分子模型基础上发展的价键理论，马利肯和休克尔的分子轨道理论以及贝特的配位场理论。价键理论、分子轨道理论以及配位场理论是量子化学描述分子结构的三大基础理论。

量子化学同样有严格的数学基础，和量子力学一样，其数学基础来自于薛定谔方程。为了将薛定谔方程导入量子化学领域，1928年，哈特里和福克分别提出了哈特里方程和补充了泡利规则的哈特里—福克方程。为了求解哈特里—克方程，1951年，罗特汉发展出了著名的RHF方程，这个方程以及在这个方程基础上进一步发展的方法是现代量子化学处理问题的主要方法。随后，福井谦一、伍德沃德和霍夫曼在此基础上逐渐提出更加简化的数学模型，回避高深的数学运算，将量子化学理论更直观的应用于对化学反应的定性处理。

量子计算是为关键

不过，量子化学目前最大的瓶颈也就很明显了。那就是即使经过多重简化，其数学模型也太过复杂。多体薛定谔方程极其复杂，至今仍没有精确解法，而即便是近似解，所需要的计算量也是惊人的：一个拥有100个电子的小分子体系，在求解RHF方程的过程中仅双电子积分一项就有1亿个之巨，这样的计算显然是当时的人力所不能完成的。即使拥有计算机和目前先进的量子化学软件，量子化学研究也并不轻松。除了目前的demo系统以外，其他量子化学方程的精确解对于传统计算机来说显得太遥远。可以说，运算是量子化学指导化学应用的一大制约因素。理论上说，量子化学可以帮助研究人员从本质上理解物质的化学性质，但实际上，量子化学在材料学上的应用寥寥无几。

量子计算的发展给了量子化学重要的发展契机。由于量子计算可以轻松处理多变量问题，它可以相对比较容易的实现化学过程模拟。今年8月，谷歌AI团队宣布，其使用量子计算机对化学反应路径进行建模取得了突破性进展，这是迄今为止首次，也是最大规模的化学量子计算。在反应中，两个氮原子和两个氢原子组成了二氮烯分子。其过程是，氢原子在氮原子周围不断移动形成了不同的结构。经过检测发现，量子模拟与传统计算机上执行的模拟结果基本吻合，由此可以确定量子模拟的有效性。虽然氮氢反应是较为基础的化学反应，甚至不需要配备量子计算机来模拟就可以轻松得出结果，但研究人员介绍，此项研究验证了当前量子计算机开发的算法可以达到实验预测所需的精度，开拓了一条通往量子化学系统逼真的模拟路径。接下来，他们会将量子模拟的算法扩大到更复杂更大分子的化学反应中，而这只需要更多的量子位和较小的算法调整即可。

如果量子化学在量子计算的助力下获得突破性进展，整个化学化工行业的研发会出现颠覆性改变。未来，科学家甚至可以使用量子模拟来开发新的化学物质。如果理论化学走在实验化学前方的这一天到来，科学家完全可以先设计某种性能的物质，并通过模拟的方法找到最优的合成方式，最后投入生产。

目前，化工业界的很多企业已经开始重视量子技术。科思创亚太区创新负责人施马可在接受本报采访时就表示，量子计算技术开辟了数字化研发的全新领域。借助量子计算，研发人员可以在很短时间内对复杂的化学反应过程进行数字模拟和评估。他相信，量子计算会很快从量变到质变。长远来看，随着量子计算机性能的提高，技术更加成熟，有可能部分取代目前在运用的高性能计算机。