【摘要】 量子计算化学是量子计算机的一个潜在应用，有望有效地解决几个量子化学问题，特别是电子结构问题

计算机模拟最初应用于气象学和核物理学，是一种替代工具，可用于理论建模以比较实验数据[1]。

 

随着计算设备的快速发展，这个强大的工具对于实现科学和工程成就至关重要。了计算机仿真的以下观点:成功的仿真研究不仅仅是计算数字。

 

相反，他们利用各种技术从这些数字中得出推论。模拟创新地使用了只能在数学和理论之外得到支持的计算技术。

 

因此，与可以在计算机上进行的简单计算不同，模拟的结果并不自动可靠。需要相当大的努力和专业知识来决定哪些模拟结果是可靠的。计算化学的最终目标是通过在计算芯片中数值求解多体薛定谔方程(1)来模拟实验室试管中的化学现象，如图1所示。

 

另外，将Eq.(9)的精确或近似解应用于分子的静态特性和化学反应，包括化学动力学，如图2所示。

 

图1 计算化学的梦想:用(量子)计算芯片代替化学实验室[1]。

 

作为下一代计算平台的新兴技术，量子计算机进行的模拟有望用于科学研究和工业应用。量子计算化学是量子计算机的一个潜在应用，有望有效地解决几个量子化学问题，特别是电子结构问题。量子计算化学可以与传统的计算设备相比较。

 

Walter Heinrich Heitler和Fritz Wolfgang London于1927年首创了氢分子H2成键性质的量子力学计算。

 

此后，1954年获得诺贝尔化学奖的莱纳斯·卡尔·鲍林通过求解多体薛定谔方程，提出了化学键的基本概念。

 

然而，一般来说，这并不能解析解决。为了理解分子和化学反应的基本性质，求解多体薛定谔方程的近似计算方法随着对多体量子系统性质的理解而发展起来。分子的这个学术领域被称为计算化学或量子化学。

 

在量子计算时代，这种观点应该保持不变。虽然量子计算机不能被视为自主研究工具，但它们可以作为辅助设备来实现更好的理解和更多的应用。尽管一些计算技术和硬件改进已经在不断发展，但对多体量子系统进行数值求解仍然具有挑战性。

 

另一方面，量子模拟和量子计算机的概念思想激发了新的计算算法。量子计算化学是量子计算机的一个潜在应用，有望有效地解决几个量子化学问题，特别是电子结构问题。量子计算化学可以与传统的计算设备相比较。量子计算算法和量子化学应用技术正在开发中。

 

此外，云计算在量子时代的应用或对量子计算的应用实际设备中的噪声中尺度量子(NISQ)时代正在进行研究。

 

图2 计算化学的各种潜在应用[1]。

 

[1] Shikano, Y., Watanabe, H.C., Nakanishi, K.M. et al. Post-Hartree–Fock method in quantum chemistry for quantum computer. Eur. Phys. J. Spec. Top. 230, 1037–1051 (2021).