邁向世界上第一臺實用量子計算機的競賽正在如火如荼地進行，世界各地的公司、國家、合作者和競爭對手都在爭奪量子霸主地位。谷歌則表示：它已經(jīng)在那里了！但這意味著什么呢？世界將如何知道何時實現(xiàn)了這一目標(biāo)？

使用經(jīng)典計算機，PNNL（太平洋西北國家實驗室）的計算科學(xué)家已經(jīng)設(shè)定了一個基準(zhǔn)，一個量子系統(tǒng)需要超過這個基準(zhǔn)才能在化學(xué)領(lǐng)域建立量子霸主地位。

這是因為今天可用的最快經(jīng)典計算機在模擬量子計算機最終將會做什么方面變得越來越好。為了在現(xiàn)實世界中證明自己，量子計算機需要能夠超越超級計算機的能力，這就是太平洋西北國家實驗室團隊為量子計算機設(shè)定了一個可以擊敗的基準(zhǔn)。

太平洋西北國家實驗室的計算化學(xué)家卡羅爾·科瓦爾斯基說：量子化學(xué)問題經(jīng)典模擬是量子計算機的目標(biāo)。當(dāng)量子計算機能夠擊敗目前最好的并行計算系統(tǒng)時，量子計算開發(fā)者就會知道他們所處的位置。

這也是激勵創(chuàng)新的基準(zhǔn)，基準(zhǔn)模擬有113個電子，是有史以來用經(jīng)典計算機以這種精確水平模擬的最大量子系統(tǒng)。太平洋西北國家實驗室團隊與匈牙利和捷克的合作者合作，通過模擬固氮酶中一種重要化學(xué)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)來設(shè)定基準(zhǔn)。固氮酶是一種將大氣中的氮，轉(zhuǎn)化為植物可用肥料的酶。這種酶是密集研究的主題，因為它可能是生產(chǎn)足夠的食物，來養(yǎng)活不斷增長的全球人口的關(guān)鍵。

縮小量子化學(xué)問題的范圍

了解這種酶是如何在消耗很少能源的情況下打破強氮三鍵，可能是設(shè)計新催化劑的關(guān)鍵，最終提供目前使用需要大量能源投入的化學(xué)過程生產(chǎn)的大量肥料。太平洋西北國家實驗室的高性能計算專家、量子計算首席科學(xué)家斯里拉姆·克里希納穆爾蒂說：復(fù)雜的量子化學(xué)正是那種擁有量子計算機就能真正發(fā)揮作用的問題，我們正在致力于創(chuàng)建將在量子計算機上運行的程序，當(dāng)量子計算機到來時，我們將為它們做好準(zhǔn)備。

克里希納穆爾蒂、科瓦爾斯基和太平洋西北國家實驗室同事正在與微軟的合作伙伴合作，通過西北量子網(wǎng)絡(luò)(Northwest Quantum Nexus)來模擬量子計算機的工作方式，并編寫在任何從全球激烈競爭中脫穎而出量子計算機上運行的程序。包括目前最快超級計算機在內(nèi)的傳統(tǒng)計算機不足以模擬描述具有挑戰(zhàn)性和重要分子系統(tǒng)過程所需的量子系統(tǒng)，而理解化學(xué)體系和設(shè)計新材料需要更好的計算工具。

在全尺寸量子計算機問世之前，太平洋西北國家實驗室團隊與微軟專家合作，在當(dāng)前的數(shù)字計算機和未來的計算機之間架起了一座橋梁。該工作流程利用了經(jīng)典計算機現(xiàn)在做得很好的東西，同時使用量子計算的當(dāng)前能力來描述與能源生成和能量儲存等工業(yè)過程相關(guān)的化學(xué)變化。關(guān)鍵是獲取經(jīng)典計算機的輸出，并能夠?qū)⑦@些信息轉(zhuǎn)換為量子計算機可以解釋的輸入，并且此前已發(fā)表了這種量子計算方法。

從那時起，太平洋西北國家實驗室團隊在連接經(jīng)典計算機和量子計算機方面又邁出了巨大的一步，他們開發(fā)了一種計算機算法，該算法利用了一種名為“向下折疊”的數(shù)學(xué)技巧。從本質(zhì)上說，向下折疊使得在目前試驗量子計算機上進行困難和耗時的計算成為可能。這就像是把一個大盒子縮成一個小得多的盒子，在這種情況下，盒子代表了一個巨大的數(shù)值空間。

打開新大門

并在量子計算機中使用了一種更微型的描述，出來的東西準(zhǔn)確地代表了更大系統(tǒng)的能量，它也是經(jīng)典計算和未來幾年量子計算之間的橋梁。這可能看起來像是一個數(shù)學(xué)魔術(shù)，但該方法使用了量子力學(xué)的特性和一系列可靠且可重復(fù)的嚴(yán)謹(jǐn)數(shù)學(xué)理論。向下折疊方法不僅為量子計算開辟了途徑，還使分析和驗證美國對美國能源部(DOE)支持的光源，每天產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)新的、更高效和更準(zhǔn)確的方法成為可能，這些光源用于研究亞原子細(xì)節(jié)。

研究已經(jīng)展示了如何用哈密頓向下折疊來分析激發(fā)電子態(tài)的量子行為，這提供了一種用理論來驗證數(shù)據(jù)解釋的方法。在通往量子計算的道路上，這些臨時步驟是必不可少的，因為它們提供了基本的基準(zhǔn)，有助于表明世界距離實現(xiàn)量子霸權(quán)有多近。研究將能夠?qū)φ者@些計算來測試量子計算機的輸出，如果量子計算機能產(chǎn)生接近這些結(jié)果的結(jié)果，科學(xué)家就知道它們是有效的！

博科園｜研究/來自：太平洋西北國家實驗室

參考期刊《化學(xué)物理期刊》

DOI: 10.1063/1.5094643

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