离模拟世界又近一步！谷歌推出开源量子计算平台OpenFermion

李林 编译自 Google Research Blog 量子位 出品 | 公众号 QbitAI

各大公司前赴后继入局的量子计算，最初源于科学家一个朴实而宏大的愿景：

根据量子力学规则来操作一台计算机，就可以高效模拟自然界，由此就可能带来光伏、电源、新材料、制药、超导等领域的突破。

目前，我们还没有能够解决这些经典难题的量子计算机，但进步神速。

去年，Google在一台超导qubit量子计算机上，用量子计算模拟了一个分子，并发表了论文Scalable Quantum Simulation of Molecular Energies；今年9月，IBM又宣布了一种在量子计算机上模拟大分子结构的新方法，还上了科学期刊《Nature》的封面。

接下来，Google想把量子计算研究向着模拟世界的方向再推进一步。

Google今天发布了OpenFermion，第一个将化学、材料科学中的问题转换成能在现有平台上运行的量子电路的开源平台，并公开了相关论文OpenFermion: The Electronic Structure Package for Quantum Computers。

OpenFermion库能够模拟相互作用的电子（费米子）构成的系统，物质的性质就由此决定。它可以被视为一种工具，用来生成和编译物理方程式，来将化学和材料学系统描述成量子计算机可以理解的表示方式。

在没有OpenFermion之前，量子算法的开发者就算在最基本的量子模拟中，都需要学习大量化学知识，编写大量代码。

在量子计算中，解决化学、材料学问题的最有效算法都基于一系列经典量子化学软件包，这些软件包由政府、工业界和学术界的化学家开发。

因此，在发布OpenFermion的同时，Google也推出了OpenFermion-Psi4和OpenFermion-PySCF插件，可以将OpenFermion和经典的电子结构软件包Psi4、PySCF一起使用。

OpenFermion的核心库是以量子编程框架不可知的方式设计的，兼容同行们开发的多种平台。因此，OpenFermion支持将量子汇编语言参数编译给各种硬件平台的外部软件包。比如说OpenFermion-ProjectQ和Forest-OpenFermion插件，就能将OpenFermion和外部开发的电路模拟及编译平台ProjectQ、Forest连接起来。

为了详细展示OpenFermion的用法，Google以量子化学家模拟分子的能面为例展示了这个平台的使用流程：

1. 研究者按以下说明初始化一个OpenFermion计算：

• 一份标明了分子中原子核坐标的输入文件；
• 用来离散分子的基组（例如cc-pVTZ）；
• 系统的电荷和自旋多重性。

2. 研究者用OpenFermion-Psi4或OpenFermion-PySCF插件来执行可扩展的经典计算，为量子计算提供最佳基础。比如说，可以执行Hartree-Fock计算，来为量子模拟选择一个好的初始态。

3. 之后，研究者可以在量子计算机上指定最想研究哪些电子，然后让OpenFermion将这些电子的方程式映射到适用于量子计算的表示方式。OpenFermion中有能完成这类任务的程序，比如Bravyi-Kitaev transformation。

4. 研究者选择一种量子算法来研究自己感兴趣的性质，再用OpenFermion-ProjectQ等量子编译框架，以汇编语言输出能在量子计算机上运行的量子电路。如果研究者有量子计算机可用，就可以完成自己的实验了。

OpenFermion项目由Google发起，苏黎世联邦理工学院、劳伦斯伯克利国家实验室、密歇根大学、哈佛大学、牛津大学、达特茅斯学院、量子计算公司Rigetti Computing以及NASA对Alpha测试版的发布均有贡献。

最后，量子位附上一些相关链接：

• OpenFermion，本文的主角 https://github.com/quantumlib/OpenFermion
• OpenFermion论文：OpenFermion: The Electronic Structure Package for Quantum Computers https://arxiv.org/abs/1710.07629
• OpenFermion-Psi4 https://github.com/quantumlib/OpenFermion-Psi4
• Psi4 https://github.com/psi4/psi4
• OpenFermion-PySCF https://github.com/quantumlib/OpenFermion-PySCF
• PySCF https://github.com/sunqm/pyscf
• OpenFermion-ProjectQ https://github.com/quantumlib/OpenFermion-ProjectQ
• ProjectQ https://github.com/ProjectQ-Framework/ProjectQ
• Forest-OpenFermion https://github.com/rigetticomputing/forestopenfermion
• Forest https://www.rigetti.com/forest