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美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）宣布，通過使用Quantinuum H1-1量子計(jì)算機(jī)，發(fā)現(xiàn)了在當(dāng)前量子系統(tǒng)上提升太陽能電池效率的最佳算法。

該項(xiàng)目由美國(guó)能源部基礎(chǔ)能源科學(xué)辦公室資助。Quantinuum由霍尼韋爾和劍橋量子于2021年組建，H1-1是由它建造的商用量子計(jì)算機(jī)。

通過模擬單線態(tài)裂變，即分子吸收單個(gè)光子產(chǎn)生兩種激發(fā)態(tài)，研究小組證實(shí)線性H4分子的能量水平符合裂變過程的要求。簡(jiǎn)單地說，線性H4分子是由四個(gè)以線性方式排列的氫原子組成的分子。分子的能級(jí)是參與單線態(tài)等現(xiàn)象（如單線態(tài)裂變）的每個(gè)量子態(tài)的能量，而線性分子的能量有利于單線態(tài)裂變，這對(duì)開發(fā)更高效的太陽能電池板來說很重要。

ORNL量子計(jì)算科學(xué)小組的研究科學(xué)家Daniel Claudino說：“這是單線態(tài)裂變背后的主要激勵(lì)因素之一，理論上傳統(tǒng)太陽能電池的最大效率約為33%。但據(jù)推測(cè)，單線態(tài)裂變的材料可以打破這一限制，并且能高速提效。然而找到某種材料是否表現(xiàn)出單線態(tài)裂變是非常困難的，因?yàn)橛刑囟ǖ哪芰恳?，很難找到滿足它的材料。”

憑借其高精度和可控的計(jì)算成本，ORNL團(tuán)隊(duì)使用量子計(jì)算機(jī)提供了一種有效的模擬方法，可以識(shí)別表現(xiàn)出單線態(tài)裂變特性的分子，并且準(zhǔn)確率更高。其工作成果已發(fā)表 在《物理化學(xué)快報(bào)》上 。

單線態(tài)裂變是一種多態(tài)現(xiàn)象，因此ORNL團(tuán)隊(duì)需要一種計(jì)算方法，可以在相同的基礎(chǔ)上描述所有過程的量子態(tài)，得到準(zhǔn)確的結(jié)果。他們轉(zhuǎn)向 PDS ，這是一種基于Peeters-Devreese-Soldatov（簡(jiǎn)稱“PDS”）方法的量子求解器，由西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)。

與確定材料能量特性的經(jīng)典策略相比，PDS具有一些優(yōu)勢(shì)，它比密度泛函理論的精度更高，比耦合聚類理論所需的計(jì)算更少。而且，由于PDS的開發(fā)是為了提高量子化學(xué)模擬的準(zhǔn)確性和效率，因此非常適合利用量子計(jì)算機(jī)的潛在優(yōu)勢(shì)。

Claudino說：“單線態(tài)裂變的能量圍繞著雙電子激發(fā)，即兩個(gè)電子同時(shí)移動(dòng)到更高的能級(jí)，這很難用傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的算法來確定。但量子計(jì)算機(jī)可以自然地處理導(dǎo)致這種單線態(tài)裂變現(xiàn)象的量子相關(guān)性。眾所周知，我們應(yīng)該使用量子計(jì)算機(jī)來處理本質(zhì)上是量子的東西，我們首先意識(shí)到它可以針對(duì)單線態(tài)裂變這個(gè)特定問題?！?/p>

與成熟的經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)相比， 量子計(jì)算 仍處于早期研發(fā)階段，它利用量子比特來執(zhí)行計(jì)算，與經(jīng)典計(jì)算機(jī)中使用的二進(jìn)制比特不同，量子比特超越了1和0，在混合疊加態(tài)中同時(shí)使用1和0，從而成倍地增加了其對(duì)某些方程（例如基于量子力學(xué)）的處理能力。然而，量子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)仍有較高的錯(cuò)誤率，團(tuán)隊(duì)必須克服這一挑戰(zhàn)才能獲得可靠結(jié)果。

Claudino說：“在規(guī)避錯(cuò)誤方面，最好有更多的測(cè)量以確保正確率，但這樣我們就無法及時(shí)運(yùn)行這個(gè)算法。為此我們想到了測(cè)量?jī)?yōu)化，將我們的計(jì)算規(guī)模降低到相對(duì)于計(jì)算時(shí)間方面的合理程度，這樣我們就將令人望而生畏的東西變成了適合量子硬件運(yùn)算的東西?！?/p>

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ORNL團(tuán)隊(duì)成員應(yīng)用了三種獨(dú)立方案來減少項(xiàng)目的計(jì)算工作量，從而將解決問題的時(shí)間從幾個(gè)月縮短到幾周。首先，他們減少了描述問題所需的量子比特?cái)?shù)，從而減小了問題本身的大小。其次，他們通過測(cè)量一次術(shù)語組而不是測(cè)量每個(gè)組的每個(gè)單獨(dú)項(xiàng)來解決問題。第三，他們不是單獨(dú)實(shí)現(xiàn)每個(gè)電路，而是找到了一種并行運(yùn)行四個(gè)電路的方法，允許他們使用H1-1中所有的20個(gè)量子比特。

Claudino說：“量子計(jì)算機(jī)并非適合解決所有問題，只是對(duì)于一些特定任務(wù)，它可以比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)表現(xiàn)更好。不過它仍然受到當(dāng)前技術(shù)水平的限制，只能達(dá)到一定的規(guī)模，執(zhí)行任務(wù)的時(shí)間有限，這是轉(zhuǎn)向量子計(jì)算機(jī)的主要瓶頸?！?/p>

對(duì)于可能影響日常生活的科學(xué)問題，ORNL團(tuán)隊(duì)的項(xiàng)目證明了利用當(dāng)前量子計(jì)算機(jī)解決的可行性。例如“物質(zhì)和光的相互作用” ，可以使用該項(xiàng)目中演示的量子計(jì)算技術(shù)來解決。

Claudino說：“我們使用的方法遠(yuǎn)未被廣泛采用?，F(xiàn)在我們?yōu)槭褂眠@種方法提供了強(qiáng)有力的理由。研究人員應(yīng)該注意，如果不利用這些技術(shù)，他們可能會(huì)浪費(fèi)量子資源，并可能增加模擬中的錯(cuò)誤?！?/p>

編譯：卉可

編輯：慕一

特此說明：量子前哨翻譯此文僅作信息傳遞和參考，并不意味著同意此文中的觀點(diǎn)與數(shù)據(jù)。 —— end——