【科技参考】先进化学和量子信息科学交叉融合前景

量子信息科学（QIS）是利用量子力学的原理和定律处理、存储、操纵、测量和传输信息的研究。目前，量子信息科学的发展已经进入到化学研究方法和视角可以发挥重大作用的阶段，原因在于：化学可以提供精准的、可重复的、可扩展的方法来推动量子比特创建，为量子信息科学研究提供新的构建模块。

第一，化学能为解决量子信息科学领域的基础科学挑战提供多种方法。借用化学的学科思维实现量子信息科学的技术突破，如创造设计分子量子比特以接近量子极限、开创新的内存存储应用、重新界定大型信息存储方式等。未来基于分子的量子比特系统可能被设计用于量子信息科学应用，突破环境温度限制。

第二，化学家开发的新仪器和新方法可用来推动量子信息科学的发展。过去十年中，化学领域开发并使用新的实验工具以探索有机分子和无机分子的特性，这些为量子信息科学研究提供了借鉴思路：寻找更便宜的先进光谱技术（如电子顺磁共振EPR、激光源及其他仪器）来优化对量子信息科学研究有用的分子表征。同时，化学领域也可以发挥光学测量的优势，探测有机体和生物系统的特性。这些可以为量子信息科学提供特定分子结构—性质关系的详细情况。

同时，量子信息科学也能对化学学科发展产生推动作用。化学家正在参与开发具备新纠错方法的量子信息科学，这将改变制造业，提升药物研发速度，优化天气跟踪，增强航空监视效果，并推动其他技术发展。目前，化学家正在寻求使用其他量子概念（特别是量子纠缠和叠加）开发更具影响力的技术。

在一项技术可以实现工程化之前，需要对其内在基础科学建立良好的基本理解。尽管在量子信息科学应用中使用化学思维取得了一些早期成功，但仍需进行大量基础研究，为分子设计和方法开发提供详细的模型，特别是在量子比特设计领域，以减少分子系统中量子比特与其环境之间的退相干和不必要的相互作用。NASEM建议美国各联邦机构优先考虑以下三个基础研究领域：

分子量子比特系统的设计与合成：目前设计分子量子比特的知识有限，需要加强可有力推动量子信息系统应用的新发展。研究重点问题包括：培养对结构性质关系的理解（增加分子量子比特和量子存储器中的相干时间），创建光学可寻址的分子量子比特（如过渡金属络合物、镧系元素、基于有机物的多自旋量子比特和光学循环中心，利用纠缠和量子转换）；研究分子量子比特与其环境的相互作用；设计具有综合手性诱导自旋选择性效应的分子结构；用于传感和系统集成的分子量子比特目标功能化；基于分子量子比特构建可扩展的量子架构。

分子量子系统的测量与控制：化学体系的深入研究需要新的测量方法和技术。研究重点问题包括：开发新的方法和技术来处理和控制分子系统中的多个电子和核自旋以及光循环中心；开发在复杂界面探测分子量子比特的技术，为其系统控制提供信息；通过为分子量子比特系统创建具有更高产量和更好光谱覆盖范围的纠缠光子源以及高精细度腔和纳米光子学来增强光谱和显微技术；开发和利用自旋极化和相干控制的替代方法（如手性诱导的自旋选择性和电场效应）；使用分子系统高保真地在超过1微米的距离上传送量子信息；开发利用纠缠光子以及纠缠电子和核自旋的分子量子转导方案；使用先进量子传感技术了解生物系统；使用生物启发的量子过程开发新的量子技术。

拓展量子比特设计和功能的实验和计算方法：在开发下一代量子系统的过程中，扩大稳健量子比特架构的规模是一项重大挑战，这需要在实验、经典和量子计算方面取得进展。研究重点包括：开发合成分子量子比特的技术，使其在不同的宿主化学环境中保持理想的量子特性；设计混合量子架构，相互增强彼此的量子特性；利用自下而上化学合成的优势构建量子架构；研究和控制量子比特之间以及量子比特与其环境之间的相互作用；为单个量子比特、量子比特系统和可以通过实验验证的量子架构开发噪声模型和量子误差缓解技术；了解并推进经典电子结构算法和建模方法的极限；利用和开发机器学习、化学信息学、化学数据库和分子模拟，为量子比特设计提供信息和便利；开发在量子计算机上编码化学系统的更有效方法（如更好的基集、量子化、费米子映射和嵌入理论）；为容错量子计算机开发更高效的量子算法以模拟分子系统，包括与量子信息科学相关的系统；研究如何将动力学量子计算算法用于加速化学和光谱学；探索如何通过处理来自纠缠传感器阵列或化学量子模拟的量子数据，使用量子机器学习加速化学研究。

一是积极推动量子信息科学和化学交叉领域的各类合作。量子信息科学和化学的发展大大受益于科学合作。在化学中，来自不同分支学科研究人员之间的跨学科互动可以推进提出解决化学挑战新方案，并应用于其他行业（如医学、能源、化妆品、农业等）。量子信息科学发展一直都需要物理学家、工程师和计算机科学家的共同努力，涉及从量子力学到信息处理的各个领域。这些需要鼓励研究人员分享知识和技术，有效利用资源，加速科学进步。NASEM建议美国能源部和国家科学基金会支持跨学科活动，将物理和工程领域传统采用的测量、控制和表征技术与化学界设计的分子系统结合起来；建议美国联邦机构支持理论和实验相结合的研究，以充分发挥化学和量子信息科学之间关系的作用。

二是持续开发、优化、更新各类基础设施和仪器。化学和量子信息科学研究设施必须保持在最前沿，不断更新仪器，包括主要基础设施（如磁铁和光束线）、用户终端站点（如中型仪器）等。NASEM建议美能源部和国家科学基金会支持开发新的仪器和技术，以满足化学和量子信息科学交叉处发展的独特需求。该领域发展需要更广泛地使用实验室规模和中等规模的仪器。例如，应该投资于时间分辨磁共振和光谱学。

三是建设可开放获取且相对集中的量子信息科学相关数据库。NASEM建议美国能源部和国家科学基金会构建开放获取的集中化数据库，如量子信息科学相关数据，以加强预测并加速新发现。这些数据库应包含：（1）结构—性质关系；（2）电子结构计算结果；（3）光谱数据；（4）量子器件的实验表征；（5）为量子信息科学调查提供信息的其他数据。这些数据应汇集产业界、学术界和政府部门科学家和工程师提供的量子信息科学研究成果。同时，还应创建一个集中的数据库来容纳大量的实验工作。

四是评估在化学领域使用量子信息科学的优势。量子信息科学和化学的交叉领域面临的挑战之一是如何判断必须使用量子信息科学得以解决的化学难题。目前，这些类型的问题是难以捉摸的。因此，NASEM呼吁美国能源部、国家科学基金会和其他资助机构制订计划，支持量子信息科学的多学科研究，帮助解决化学领域的部分难题。关于这些倡议，研究界应建立一套标准，用以评估在化学领域使用量子方法的优势。

培育多样化和包容性的劳动力需要量子信息科学和化学领域相关主体的共同参与。美国能源部、国家科学基金会和其他联邦机构应共同参与，私人和公共利益相关者（包括各级教育工作者、非营利组织、人事部门和专业协会）也应积极推进人才培育和招聘，提升公众对量子信息科学和化学活动的认识。同时，还应降低所有科学家进入量子信息科学领域的障碍。机构和相关利益相关者应在以下三个领域优先采取行动：

在量子信息科学和化学教育发展方面，应努力增加课程资源和机会，使学生能够接触到量子信息科学和化学领域的交叉概念和技能，帮助学生在量子信息科学和化学交叉处探索研究以及职业发展。教育发展计划和课程开发人员应丰富相关课程资源，包括由量子信息科学原则指导的K-12和本科水平的化学概念。

在跨越量子信息科学和化学领域障碍方面，应努力降低目前限制化学研究界成员进入量子信息科学相关研究和职业生涯的行业障碍，为量子信息科学和化学交叉领域从业者提供公平的职业发展路径。行业管理机构、教育组织、联邦机构和其他相关实体应促进跨学科和跨部门合作，探索与化学和量子信息科学交叉相关的项目。学术机构、小企业创新研究项目和其他相关利益相关者应提供支持，为那些致力于从事量子信息科学和化学创新研发的人员建立孵化器空间（如学术机构、小企业创新研究/小企业技术转移项目）。

在培育多样性且具备量子能力的劳动力队伍方面，应通过兼顾专业和集中的方式培养多样的、具有量子能力的化学科学劳动力队伍。联邦部门和协调机构应为参与量子信息科学的学术人员和产业界人员提供再培训机会，帮助参与者培养必要的专业技能。国家实验室、产业界、联邦机构和学术机构应增加雇用不同教育和经验水平的多样化技术人员。

编译：中国科学技术信息研究所  李兆瑞

审校：中国科学技术信息研究所  程如烟

来源：《科技参考》2024年第42期