模拟分子
“量子”课程第 13 课，共 23 课。免费，有动画和小测验。
当初为什么要发明量子计算机
这个想法不是为破解密码而生的。1981 年，物理学家理查德·费曼在一次会议上说：大自然是量子的，想模拟它，就得用量子的方式。分子里的电子处在叠加态，分子每多一部分，可能性就翻一倍。据 IBM 估算，精确描述一个 24 原子的咖啡因分子，需要大约 10⁴⁸ 个比特，比地球上的原子还多。而量子比特的运作方式和分子本身一样，描述起来很自然。
药物：钥匙和锁
药物起作用，是因为它的分子钻进蛋白质的“口袋”，就像钥匙插进锁。量子效应让人很难预测它结合得有多紧，所以药企不得不合成并测试成千上万个候选分子。2026 年 5 月，IBM、克利夫兰诊所和日本理化学研究所（RIKEN）模拟了一个 12,635 原子的蛋白质：一部分计算由 156 比特芯片完成，其余由超级计算机“富岳”完成。这是规模上的纪录，但作者并没有宣称超越经典方法，而是称之为起点。
化肥和数百万吨二氧化碳
地球上一半的人吃的粮食，靠氮肥种出来。氮肥用哈伯-博施法生产：大约 450 度、几百个大气压。按常见估算，它消耗全球 1–2% 的能源。可细菌在常温下用固氮酶就能做到同样的事。具体怎么做到的还没完全搞清楚：酶的核心 FeMoco 簇太复杂，普通计算算不动。多年来它一直被称为量子计算机的完美课题。
最早的可验证进展
2025 年 10 月，谷歌在 105 比特的 Willow 芯片上展示了 Quantum Echoes 算法。让系统正向演化，轻轻“推”一下其中一个比特，再反向演化，然后看“回声”怎么变了。这个计算比 Frontier 超级计算机快 13,000 倍，而且结果能在另一台量子计算机上复现。这一点很重要：以前的纪录几乎没法核实。团队还在真实分子上试了这个方法，作为测量分子形状的一步。
今天实际是怎么做的
今天的芯片噪声大，所以化学计算是两台机器搭档完成的。量子处理器生成电子可能的排布方式，这正是经典计算机吃力的部分。超级计算机剔除明显的噪声、修正答案，再决定下一步问芯片什么。IBM 的蛋白质研究和近几年大多数化学演示都是这么做的。IBM 自己称之为“以量子为中心的超级计算”。
双方都在跑的比赛
一个关于诚实的重要课。2026 年 3 月，研究者证明：那个被称为“量子计算机完美课题”的 FeMoco 模型，用巧妙筛选候选的办法，在经典计算机上就算到了化学精度。经典算法也在进步，每一项量子优势都得重新证明。化学上真正的胜利，要等带纠错的计算机，大公司承诺在这个十年末拿出来。想进这个领域？化学和编程都要学：最缺的就是跨界的人。
自测一下
- 为什么分子在经典计算机上难算？
正确答案: 电子处于叠加态：可能性呈指数增长. 分子每多一部分，可能性就翻倍，跟量子比特一样。精确计算咖啡因大约需要 10⁴⁸ 个比特。 - 怎么诚实地描述 IBM 那个 12,635 原子蛋白质的研究？
正确答案: 和超级计算机合作的规模纪录，没有宣称超越. 这是混合计算，而且是预印本。作者自己称之为起点，没有宣称超越。 - 2026 年 FeMoco 的例子说明了什么？
正确答案: 经典算法也在进步，优势必须拿出证据. FeMoco 模型在经典计算机上算出来了。这不是给量子化学判死刑，而是提醒：比赛是双向的。