是否只要有超大規模的量子計算機，人類就能完美掌握化學？

1樓：

其實這個問題就是統計物理和經典力學/量子力學關係的放大。

多年來人們企圖把統計力學建立在理論力學的基礎之上，或者用理論力學/量子力學模擬統計力學的現象。但是現在理論上我們已經知道了，統計力學必須自己單獨存在，不能從理論力學推出。在實際操作上，目前分子動力學/蒙卡的成就有限，再複雜一點的系統或者大尺度的系統就必須換成相場、有限元、流體力學等巨集觀模型了。

材料的模擬計算中，還有所謂的Landauer paradox，非常著名，至今難以克服。

所以說還原論在哲學上肯定是對的，人是由原子組成的，原子是夸克和電子（鄙人不做原子核理論，這句可能有細節錯誤）組成的，模擬計算夸克原理上說可以模擬人的行為，但是…

所以我個人觀點是不同尺度有不同的問題，跨尺度是努力方向，但解決具體問題的話還是需要針對不同尺度構建不同模型。比如對化學反應建模，實驗室裡的幾十年老博士腦海中構建的粗糙球棍模型常常比在理想（不理想的一般也難以求解）條件下求得的薛丁格方程的解來的準確。

本回答簡述了理論計算方法的困難，但這也是我們研究的方向。認清困難有助於繼續深化開發計算方法，向更大更快更準邁進。

說一些進展，以前發現化學反應中水是至關重要的。我乙個師兄博士期間花3年從1個顯示溶劑的水分子，一直算到6個水分子，終於弄明白了水是如何影響該化學反應的。現在有了adaptive QM/MM MD，應該是會快一些看到水的影響了，還可以比以前準確一些。

還有，溶劑水的處理，一直以來無法把它們跟反應物一起做ab initio計算；如果用QM/MM MD，必須用球形邊條件；2023年左右終於有了一些進展，可以使用週期性邊條件了。

這些進展使我們穩步走在「更大更快更準」的路上。

2樓：One-e

如果有足夠的計算力，確實可以完全模擬化學。因為本質就是在解相關體系的Molecular Hamiltonian. 問題在於，practically speaking, 我們可能無法達到期待的算力。

以前人們發展經典計算機算的挺快的，於是計算化學開始蓬勃發展，ab initio得到了發展。然而算著算著發現10個電子體系的精確模擬都是極為困難的。

現在人們開始求助量子計算機，希望通過更大的算力計算更具有更多電子的體系。首先目前近期量子計算機都是低量子數有雜訊的量子計算機，可能沒法達到預想的精度。其次，量子計算機的強大算力是需要相關的理論發展的。

有了好的量子演算法和高效的Quantum Circuit 才能發揮其優勢。但是怎麼設計這種演算法似乎還沒有系統的方法，大多是摸著石頭過河。最早提出用Quantum phase estimation算能量，並不高效。

後來又提出variational Quantum solver用unitary couple cluster的basis，是目前模擬分子體系的主流，人們目前還在努力的用vqe模擬化學精度下水分子。但是vqe也不一定就是最優秀的演算法（從演算法複雜度的角度來講），也許仍有進步空間。