今天我们将一同学习一种量子算法——Variational Quantum Eigensolver（简称VQE），即变分量子特征值求解算法。

这套课程分为4个章节，以量子化学模拟为例来介绍该算法的使用。在第一节课里，我们将一起学习计算化学的背景知识。

你将了解到

计算化学及计算化学的作用

量子化学及量子化学的研究范围

量子化学的发展现状

量子化学模拟的具体实现过程

常用的量子化学计算包

接下来就让我们一起开启VQE算法的学习之旅吧。

背景介绍

首先，欢迎来到VQE算法系列课程第一课——背景介绍部分。

在本节课里，我们将从计算化学出发，向大家介绍量子化学、量子化学模拟、VQE算法、量子化学计算包等相关背景知识。

计算化学，顾名思义，就是利用数学方法模拟化学体系并通过计算机程序对其进行计算，以解释或解决化学问题。

它主要包括两个研究方向，分别是量子化学与分子模拟。早期由于计算能力较弱，化学研究主要以理论和实验交互为主。随着科学技术的蓬勃发展、量子化学理论的不断完善，计算已经成为一种独立的科研手段，与理论和实验形成三足鼎立之势。而如今，计算化学已然成了一个重要工具，化学工作者可以用它来解释实验现象、预测实验结果、指导实验设计。在材料科学、纳米科学、生命科学等领域得到了广泛的应用。早在1997年，赛德鲍姆（Cederbaum）等人通过计算和分析HF分子和水分子的电离谱，成功预测了2003年才发现的原子间库仑衰变现象。该现象是指对于组成团簇的原子（或分子），如果它的电子层中存在激发态的电子，就可能会把能量传递到相邻原子的价层电子，使得后者电离变成阳离子。

如图所示，左侧原子中的一个激发态电子，从高能级跃迁至低能级时，所释放出的能量被右侧原子的一个价层电子吸收。由于原子核对价层电子的束缚能力本来就比较弱，所以吸收了这部分能量的价层电子很容易逸出，使右侧原子变成阳离子。如今，人们正尝试将这种现象应用于DNA损伤修复领域。早在2007年，齐格列尼等美国科研工作者利用超级计算中心的运算能力，对含有23万多个原子的体系进行动力学模拟，首次揭示了α突触核蛋白的聚集过程及其在细胞膜表面形成致病孔状结构的复杂过程，这一成果为帕金森症的治疗提供了新的线索。

所谓量子化学，简单地来说，就是运用量子力学的规律和方法来研究化学问题。

量子化学的研究范围包括：分子结构、性质及其结构与性能间的关系；分子间的相互作用；分子间的相互碰撞和相互反应这三方面的问题。

勒丁夫提出：量子化学可分三个领域，包括基础理论、计算方法和应用研究，三者间相互影响，构成了三角关系。只有严密的理论、精细的算法、深入的应用相结合，才能构成完美的量子化学。但是，要想真正通过计算模拟、运用基础理论去解决或解释化学问题，仅仅依靠精细的算法还无法实现。我们在对一个N电子体系计算模拟时，往往需要解薛定谔方程，这就涉及到了3N维波函数的求解，该过程计算量会随体系电子数的增加而呈指数式递增。就目前而言，面对量子化学计算中所涉及到的如此惊人计算量，经典计算机在计算精度、计算尺寸等方面十分有限。想要突破这一瓶颈，就必须依靠量子计算机强大的计算能力。所以，在量子计算机上实现量子化学模拟刻不容缓。量子化学模拟是指这样一个过程：

将真实化学体系的哈密顿量（包括其形式和参数）映射到由我们自己构建的可操作哈密顿量上，然后通过调制参数和演化时间，找到能够反映真实体系的本征态。

众所周知，即使在量子计算机上寻找真实体系本征态，通常也比较棘手。

近期，为了在硬件设备上实现量子化学模拟，我们采用变分量子特征值求解算法(Variational-Quantum-Eigensolver，简称VQE)来计算体系的基态能量。

该量子算法不仅能保证量子态的相干性，其计算结果还能达到化学精度。目前，我们所使用量子化学计算包有Gaussian16、PyQuante、pySCF、PSI4等。

在本课程中，与VQE算法相配合使用的量子化学计算包是PSI4。它是一款开源的第一性原理量子化学计算包，它能够运用Hatree-Fock方法、密度泛函理论、耦合团簇理论、组态相互作用方法等对电子结构进行计算。

在接下来的课程中，我们将利用PSI4中的Hatree-Fock方法计算得到的哈密顿量构造量子线路，寻找H₂的基态。

以上即为VQE算法的背景知识。如果您在课程学习中遇到任何疑问，欢迎在本源量子公众号后台给我们留言。