最优化问题是所有科学家和数学家都渴望解决的最重要的问题类别之一，因为这个问题与科学及现实生活都息息相关。从深奥的计算机科学难题到车辆路线优化、投资组合设计和数字营销等更为现实的问题，所有这些问题的核心都在于需要解决最优化问题。

解决此类问题的常用技术是“量子退火”技术，该框架通过使用“量子隧穿”（一种量子物理现象）从多个候选解中选择出最佳解，从而解决了优化问题。具有讽刺意味的是，这项技术在实际问题中被应用得很少。日本科学技术高等研究院（JAIST）的Ryo Maezono教授专门从事应用信息科学和材料科学领域的研究。他说：“大多数化学家和材料学家不熟悉量子退火，所以不怎么考虑使用它处理量子问题。因为，发现这项技术的应用对于提高其在该领域的认知变的至关重要。”

近日，Maezono教授及其同事Keishu Utimula博士在《科学报告》上发表了一篇文章，他们在其最新研究中探索了一种离子在固体中扩散的现象，这在纯材料和应用材料科学领域引起了人们极大的兴趣。他们通过将量子退火与从头计算法相结合的框架，在不考虑材料的情况下得出计算物理性质的方法。Maezono教授说：“目前的从头算技术可以提供有关离子扩散路径网络的信息，但是很难将这些信息映射到扩散系数的实用知识上，这是一个实用的相关量。” 

该研究小组希望计算扩散过程中关键量的“相关因子”，他们意识到可以通过将过程定为路由优化问题来寻找它，这正是量子退火框架旨在解决的问题！为此，科学家使用量子退火和其他计算技术为一个简单的二维四方晶格计算了相关因子，他们从实验中得出了确切的结果，并比较了输出数据。结果显示他们评估的相关因子与计算得出的分析结果相符。

Maezono教授对这一发现感到兴奋，他相信随着技术的不断进步，量子退火将成为解决材料科学问题的最佳选择。他总结说：“固体中离子的扩散问题对于制造容量更高的小型电池或提高钢的强度至关重要。我们的工作表明，量子退火技术可以有效解决这一问题，并可以把它应用扩大到整个材料学的范围。”（编译/Rainet）