认识达内从这里开始

“这样，大部分物理学和所有化学领域的数学理论需要的基本物理定律已经完全清楚了，困难仅仅在于，这些定律的精确应用导致了过于复杂以致于难以求解的方程。”

-Paul Dirac，多电子系统的量子力学 (1929)

在这段话中，物理学家 Paul Dirac 哀叹道，尽管量子力学可以准确地为所有化学领域建模，但精确模拟关联的方程似乎有着不可避免的复杂性。这个问题一直困扰着大家，直到 1982 年，Richard Feynman 提出这样一种理论：与其屈服于量子力学的复杂性，我们不如将其作为一种计算资源。因此，量子计算的最初动机是：在遵循量子力学定律的基础上操作计算机，人们可以对自然进行高效、精确的模拟。这种模拟可为光伏、电池、新材料、药品和超导等领域带来突破。尽管现在还没有一台足够大的量子计算机来解决这些领域的经典难题，但我们正在不断地取得快速发展。去年，Google 发表了这篇论文，详细介绍了使用超导量子位量子计算机对分子进行的首次量子计算。在这项工作的基础上，IBM 的量子计算小组将试验拓展到更大的分子上，他们的研究论文被选为上个月的 Nature 封面文章。

今天，我们发布 OpenFermion，这是第一个能够将化学和材料科学问题转化为可以在现有平台上执行的量子线路的开放源代码平台。OpenFermion 是一个用于模拟电子(费米子)相互作用系统的库，这些电子决定着物质的性质。在 OpenFermion 之前，量子算法开发者需要学习大量的化学知识和编写大量把其他代码弄得支零破碎的代码，才能组合一些最基本的量子模拟。尽管这个项目诞生于 Google，但来自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、Rigetti Computing 公司和美国国家航空航天局的众多协作者都对 Alpha 版作出了贡献。您可以在我们的论文 OpenFermion：面向量子计算机的电子结构软件包中了解与此版本有关的更多详细信息。

一种方法是将 OpenFermion 视作生成和编译物理方程的工具，这些方程将化学和物质系统描述成可以由量子计算机解读的表示形式1。用于解决这些问题的最有效量子算法基于由政府、工业界和学术界开发和使用的经典量子化学软件包，并拓展了它的能力。相应地，我们也将发布 OpenFermion-Psi4 和 OpenFermion-PySCF，这两个插件用于将 OpenFermion 与经典电子结构软件包Psi4 和 PySCF 结合使用。

核心 OpenFermion 库使用一种量子编程框架不可知方式设计，旨在确保与社区正在开发的各种平台兼容。这就让 OpenFermion 能够支持外部软件包，而这些软件包可以为不同的硬件平台编译量子汇编语言规范。我们希望这个决定有助于将 OpenFermion 打造成在量子计算机上实现量子化学的社区标准。要了解 OpenFermion 如何与各种量子编程框架结合使用，请参阅 OpenFermion-ProjectQ 和 Forest-OpenFermion - 这两个插件可以将 OpenFermion 与称为 ProjectQ 和 Forest的外部开发电路模拟与编译平台关联。

下面的工作流程介绍了量子化学家可以使用 OpenFermion 来模拟分子能量表面的方式(例如，通过准备我们在过往博文中介绍的这种量子计算)：

研究人员使用以下各项的规范初始化 OpenFermion 计算：

一个指定原子核在分子中坐标的输入文件。

应当用于离散分子的基组(例如 cc-pVTZ)。

系统的电荷与自旋多重度(如果已知)。

研究人员使用 OpenFermion-Psi4 插件或者 OpenFermion-PySCF 插件执行可扩展的经典计算，这些计算用于按照最优方式划分量子计算阶段。例如，研究人员可以执行经典的 Hartree-Fock 计算来为量子模拟选择良好的初始状态。

随后，他们指定哪些电子最适合在量子计算机上研究(称为活性空间)，然后使用 OpenFermion 中一种可用的程序(例如 Bravyi-Kitaev 变换)指示 OpenFermion 将这些电子的方程映射到适合量子位的表示。

研究人员选择一种量子算法来求解目标性质，并使用一种量子计算框架(例如 OpenFermion-ProjectQ)以汇编语言输出能够在量子计算机上运行的量子电路。如果研究人员能够使用量子计算机，他们随后可以执行试验。

我们可以使用 OpenFermion 做什么呢?这三个代码库(代码库 1、代码库 2 和代码库 3)的 ipython 笔记介绍了一些示例。尽管量子模拟被广泛认为是短期内量子计算最重要的应用之一，但很少有量子计算机科学家熟悉量子化学，而知道量子计算的化学家就更少了。我们的初衷是希望 OpenFermion 能够帮助缩小这些群体之间的鸿沟，并将量子计算的强大功能带给化学家和材料科学家。如果您感兴趣，请查阅我们的 GitHub 代码库 - 欢迎发送发送拉取请求!

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