《Quanta Magazine》对加州理工学院 Garnet Chan 团队于2026年1月发表的研究成果进行了报道, 这个团队运用纯经典计算方法, 针对固氮酶铁钼辅因子模型, 基态能量取得了接近“化学精度”的结果。

一、文章简介

长久以来, 模拟繁杂分子的电子结构, 一直以来都被视作量子计算机最具希望率先展现作用的领域当中的一个。原因看上去特别自然: 分子里头的电子遵循量子力学规律, 多个电子相互之间又或许存在强烈关联以及量子纠缠；伴随电子数量增多, 可能的状态组合会呈爆炸式增长, 经典计算机好像无法肩负这般庞大的计算任务。所以, 好多研究者觉得, 要精准理解某些复杂化学反应, 最终必定得依赖能够直接操控量子状态的量子计算机。

作为这一观点最常被引用的例子, 是固氮酶里头的那种被称作FeMo - co的铁钼辅因子, 固氮酶能够把大气里极为稳定的氮气转化成生命能够利用的氨, 它属于地球生命循环里最为重要的酶当中的一个, 它达成了现代化工唯有在高温以及高压条件之下才得以完成的固氮反应, 然而其具体的反应机制直到如今都还没有被完全地揭示出来。

问题的难点聚焦于固氮酶的活性中心, 它是一个复杂原子团, 由七个铁原子、一个钼原子以及硫、碳等元素构成。多个铁原子各自携带着若干未成对电子, 这些电子的轨道、旋转方向与能量相互关联。它们不能被视作相互独立的粒子来处理。为了算出这一体系的最低能量状态, 即基态, 理论上一定要考量大量电子构型及其叠加关系。

2017年的时候, 微软的研究人员曾把FeMo-co列为量子计算机模拟化学体系的重要目标, 之后, 许多论文对使用容错量子计算机求解这一问题所需的量子比特以及计算资源做了估算, 它渐渐变成量子化学领域的一个标志性案例, 即经典计算好像已经到了极限之处, 唯有量子计算机才能够继续向前发展。

可是, 加州理工学院的化学家 Garnet Chan 还有跟他一道的那些合作者, 在这件事儿上始终是抱着怀疑的态度的。他们觉得, 量子态的那个理论空间, 虽说极其地庞大, 然而实际对于基态能量能产生重大影响的构型, 说不定仅仅是占了其中特别小的那么一部分罢了。对于那经典算法而言, 并没有逐一去计算全部那些可能状态的必要, 反而是能够借助物理结构以及数学压缩的办法, 去找出真正关键重要的那一部分来。

某个研究团队运用了两种相互之间互无关联的经典计算办法。第一种办法呢, 是从一个近似的电子状态起始, 然后逐步去增添参与联合变化的电子其数量, 并且观察计算得出的结果是不是还会持续发生显著的改变。当牵涉到更多电子的修正已经没办法明显地降低能量之时, 便能够做出判断, 剩余的大量构型所具有的贡献是很小很小的。

于密度矩阵重整化群和矩阵乘积态相关的是第二种方法。研究人员将复杂量子态予以拆分, 使之成为若干部分, 并且对各部分之间所需传递的信息量加以限制。若在不断提升信息容量之后, 计算结果渐渐趋于收敛, 那么便能够通过外推得出接近真实的基态能量。

有着另外的途径获取以最终得到能相互一致的结果, 该结果同时跟现有的实验认识相符合。有研究人员进行了估计, 所存在的误差已经快要接近量子化学里一般所说的“化学精度”之中, 也就是属于每摩尔有着大约1千卡的情况。这便意味着, 存在一个曾经被广泛当作是必然要依靠量子计算机才能够解决的标杆问题, 至少在针对其处于静止状态时的基态能量予以计算的时候，已然能够凭借经典计算机来完成。

这个成果并不表明固氮酶已然被完全破解, 研究团队当下计算的主要是铁钼辅因子的静止基态, 然而要真正领会固氮反应, 还得追踪氮分子结合、质子以及电子转移、化学键断裂和形成等一系列中间状态, 模拟整个反应随着时间的演化, 依旧有可能比计算单一基态困难许多, 也有可能成为量子计算机更具优势的领域。

因而, 此项研究既没法证实量子计算机对于化学而言不存在价值, 又无法排除往后会出现量子优势。它切实动摇的是这样一个非常简单的推论: 鉴于化学体系遵循量子力学, 故而经典计算机必定无法对其进行模拟。

实际上, 量子计算机需面对一个关键问题, 经典计算机同样要面对此关键问题, 那便是如何找到一个初始状态, 且这个初始状态要足够合理。量子计算没办法自所有可能状态里凭空自动识别出正确答案。若量子算法要借助经典化学知识来准备一个初始状态, 这个初始状态要接近真实基态, 那么这些知识往往也能够帮助经典算法去压缩问题, 并且排除无关构型。

这项研究对人们起到提醒的作用, 在评价量子计算的实际价值之时, 不能仅仅去比较理论上完整状态空间的大小, 并且也不能将“量子体系”简单地等同于“量子计算机专属问题”。真正具备意义的问题是, 在达成相同精度的条件状况下, 最好的量子算法是不是能够稳定地、可扩展地超越最好的经典算法。

经典算法持续在进步, 量子计算机未来或许会变成重要的化学研究工具, 然而在宣称某问题唯有量子计算机能解决前, 得先仔细检验经典方法到底进展到何种程度, 科学的本质是实事求是, 绝不能先入为主且想当然。

二、读后感想

量子计算, 于量子模拟领域, 面临严峻挑战, 于理论化学领域, 亦面临严峻挑战, 在自身主场, 难以确定输赢, 于客场之表现, 便可想而知。

在过去的二十多年时间里, 量子计算被抬高到了神坛之上。当时被诸多方面宣传称极有可能演变成通用量子计算机, 并且能够在瞬间破解掉公钥密码。然而, 往往是那种被捧得越高的事物, 下场必定会越凄惨。最终, 量子计算在密码破解这一领域遭遇到了极为严重的挫败。

RSA公钥密码所具备的安全性, 是深深扎根于一个极为简单的数学事实之中的: 把两个大素数相乘这件事是很容易做到的, 然而, 要通过某种方式把它们相乘之后所得到的乘积再次进行分解开来, 却会遭遇极大的困难。破解公钥密码RSA的本质要点就在于对大整数进行质因数分解。

奋斗了二十多年, 量子计算在“分解质因数”这件事上, 始终没办法突破 21=3*7 这个情况, 用于这方面的相关论文, 还有实验报告里呈现出的结果, 真的让人超级失望, 极为心寒。原因在于, 21 仅仅对应着 5 bit，然而当前所使用的 RSA 最少是 1024 bit, 量子计算要执行 Shor's 算法, 去破解现在正在使用的公钥密码, 基本上不存在可能, 简直是难度重重, 毫无希望。

别管怎样退一步讲, 就算有那么一天, 量子计算机真的能够成功破解1024 bit RSA, 那其实也没什么了不起的, 因为RSA能够轻轻松松地将1024 bit提升好几倍, 甚至提升几个数量级, 从而使得量子计算机根本无法企及。

往更退后的一步来讲, 公钥密码所涉及的算法并非仅仅只有RSA这一种类型, 为何非要局限于一种情况呢, 只要去更换成另外一种算法, 就完全能够使得量子计算难以得手。

事情的实际情况是, 具备抗量子攻击能力的公钥密码技术, 也就是PQC技术, 已然趋向成熟, 而针对其展开大规模的布置应用, 仅仅是关于时机以及成本方面的问题。存在认为量子计算将会对信息安全造成颠覆性影响的这种看法, 只是一种炒作行为罢了, 通过实践给出的证明是, 致力于开发通用量子计算机以此方式来破解密码, 这条路是行不通的。

现今量子计算的发展途径, 实际上正回归到其起始的、也是最为实际的设想——量子模拟。也就是运用量子系统去模拟量子系统, 而这恰是费曼于1980年所提出的原始构想。从物理原理层面来看, 这一方向相对现实可行, 并且的确在一些实验当中展现出了价值。

可是不得不留意到, 早在二零二三年时, 加州理工大学的Chan等人就已经将量子化学里的“指数级量子优势”进行了系统的分析, 其得出的结论是: 对于通常的基态量子化学问题而言, 当前并没有充分的证据能够证实量子计算机普遍具备指数级优势；就算未来存在优势, 那也有可能更多呈现为多项式加速, 而非常常被宣扬的指数级飞跃。

总体而言, 量子计算于量子化学领域中未能战胜经典计算, 量子计算在破解密码问题方面已然失利, 将量子计算过度神化着实应当停止了！

徐令予 于美国南加州 （2026年6月15日）