1.2　我没有犯困！

如果我们可以不用实验室里的试管或烧杯，而是在计算机中进行化学反应，会如何呢？如果进行一个新实验就像运行一个应用程序那么简单，只需几秒就能完成，又会如何呢？

要真正实现这一点，我们需要程序能完全保真地完成这项任务。计算机中建模的原子和分子的行为应该与试管中的原子和分子的行为完全一致。物理世界中发生的化学反应需要精准的计算来模拟。我们将需要完全忠实的模拟。

如果我们能大规模地做到这一点，也许就能算出我们需要的分子（这些分子可能是一种用于洗发水的新材料，甚至是一种用于汽车和飞机的新型合金）；也许我们可以更高效地发现针对你的生理机能定制的药物；也许我们可以更好地理解蛋白质折叠的方式，并由此理解它们的功能，进而有可能创造出能为我们的身体带来积极转变的定制酶。

这看起来可以实现吗？虽然我们已经有能运行各种模拟程序的大型超级计算机了，但我们现在能以上述方式为分子建模吗？

我们以1,3,7-三甲基黄嘌呤为例来谈谈吧（见图1-4），它的分子式为。这种化学名称晦涩难懂的分子其实每天都被全世界数以百万计的人享用——它还有另一个名称：咖啡因。一杯8盎司[1]的咖啡约含95 mg咖啡因，也就是约个分子，即：

295000000000000000000个分子

---

[1]　盎司（ounce）既是重量单位又是容量单位。在此处表示液体盎司，1盎司约为29.57 mL，8盎司约为236.56 mL，后文的12盎司约为354.84 mL。——译者注

图1-4

常见的12盎司可乐约含32 mg咖啡因，健怡可乐约含42 mg咖啡因，能量饮料通常约含77 mg咖啡因[11]。

问题1.2.1

你每天会喝下多少咖啡因分子？

分子数很多，因为我们是在数宇宙中物体的数量，而我们知道宇宙很大。举个例子，科学家估计单是地球，原子数量级就达到了～[4]。

我们找个语境来看看这些数字：，，，以此类推。1 GB等于109字节，1 TB等于字节。

回到本节开始时提出的问题：我们可以在计算机中精准地为咖啡因建模吗？我们不是必须要为一杯咖啡中的大量咖啡因建模，但我们可以完全表征某一瞬间的单个分子吗？

咖啡因是一种小分子，其中包含了质子、中子和电子。特殊地，就算我们只描述决定分子结构的能量构型以及将分子聚合在一起的键，该分子的信息量也多得惊人。具体来说，所需的比特数，即0和1的数量，大约为，即：

1000000000000000000000000000000000000000000000000

再看看之前的内容，这差不多相当于地球原子总数的1%～10%。

这还只是一个分子！尽管如此，大自然还是能以某种方式相当高效地处理这些信息。大自然能处理单个咖啡因分子，也能处理咖啡、茶和其他软饮中所有的咖啡因分子，还能处理构成你及周遭世界的每一个分子。

大自然是怎么做到的？我们不知道！当然，理论还是有的，它们处于物理学和哲学的交汇处，但我们并不需要完全理解也能将其利用起来。

按照传统的方式，我们没法使用足够的存储空间来容纳如此之多的信息。我们想要获得精准表征的梦想似乎就此破灭了。这正是本章开始时引述的理查德•费曼（如图1-5所示）所说的“自然并不是经典模式的”的含义。

图1-5　1959年，理查德•费曼在美国加州理工学院。照片属于公共领域

但是，当使用量子比特来执行计算时，160 个量子比特就能容纳比特的信息。先说清楚，我不会介绍我们该如何将这些数据放入量子比特，我也不会谈如果我们要用这些信息来做一些有趣的事情，我们还需要多少量子比特。但是，量子比特确实带来了希望。

使用经典方法时，我们永远无法完整表征一个咖啡因分子。未来，当我们有了足够强大的量子计算系统，其中包含了足够多质量极高的量子比特时，也许我们就能在计算机中进行化学研究了。

了解更多

在量子化学这个科学领域中，量子计算机也许最终会被用于计算分子性质和蛋白质折叠构型等任务，但怎样能做到这一点却并不是三言两语就能说清的。尽管如此，前文的为咖啡因分子建模就是量子模拟（quantum simulation）的一个例子。

如果你想了解截至2019年在化学领域应用量子计算的历史和最佳方法，可以参考Cao等人的综述[2]。如果你想理解规模化地进行分子的量子模拟这个具体问题及其与高性能计算机的交织情况，可参考Kandala等人的文章[10]。