实用型“量子计算机”怎么才算成功？超过这个量子“标准”才算！

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迈向世界上第一台实用量子计算机的竞赛正在如火如荼地进行，世界各地的公司、国家、合作者和竞争对手都在争夺量子霸主地位。谷歌则表示：它已经在那里了！但这意味着什么呢？世界将如何知道何时实现了这一目标？使用经典计算机，PNNL（太平洋西北国家实验室）的计算科学家已经设定了一个基准，一个量子系统需要超过这个基准才能在化学领域建立量子霸主地位。


这是因为今天可用的最快经典计算机在模拟量子计算机最终将会做什么方面变得越来越好。为了在现实世界中证明自己，量子计算机需要能够超越超级计算机的能力，这就是太平洋西北国家实验室团队为量子计算机设定了一个可以击败的基准。
太平洋西北国家实验室的计算化学家卡罗尔·科瓦尔斯基说：量子化学问题经典模拟是量子计算机的目标。当量子计算机能够击败目前最好的并行计算系统时，量子计算开发者就会知道他们所处的位置。


这也是激励创新的基准，基准模拟有113个电子，是有史以来用经典计算机以这种精确水平模拟的最大量子系统。太平洋西北国家实验室团队与匈牙利和捷克的合作者合作，通过模拟固氮酶中一种重要化学结构的结构来设定基准。固氮酶是一种将大气中的氮，转化为植物可用肥料的酶。这种酶是密集研究的主题，因为它可能是生产足够的食物，来养活不断增长的全球人口的关键。
缩小量子化学问题的范围
了解这种酶是如何在消耗很少能源的情况下打破强氮三键，可能是设计新催化剂的关键，最终提供目前使用需要大量能源投入的化学过程生产的大量肥料。太平洋西北国家实验室的高性能计算专家、量子计算首席科学家斯里拉姆·克里希纳穆尔蒂说：复杂的量子化学正是那种拥有量子计算机就能真正发挥作用的问题，我们正在致力于创建将在量子计算机上运行的程序，当量子计算机到来时，我们将为它们做好准备。


克里希纳穆尔蒂、科瓦尔斯基和太平洋西北国家实验室同事正在与微软的合作伙伴合作，通过西北量子网络(Northwest Quantum Nexus)来模拟量子计算机的工作方式，并编写在任何从全球激烈竞争中脱颖而出量子计算机上运行的程序。包括目前最快超级计算机在内的传统计算机不足以模拟描述具有挑战性和重要分子系统过程所需的量子系统，而理解化学体系和设计新材料需要更好的计算工具。


在全尺寸量子计算机问世之前，太平洋西北国家实验室团队与微软专家合作，在当前的数字计算机和未来的计算机之间架起了一座桥梁。该工作流程利用了经典计算机现在做得很好的东西，同时使用量子计算的当前能力来描述与能源生成和能量储存等工业过程相关的化学变化。关键是获取经典计算机的输出，并能够将这些信息转换为量子计算机可以解释的输入，并且此前已发表了这种量子计算方法。


从那时起，太平洋西北国家实验室团队在连接经典计算机和量子计算机方面又迈出了巨大的一步，他们开发了一种计算机算法，该算法利用了一种名为“向下折叠”的数学技巧。从本质上说，向下折叠使得在目前试验量子计算机上进行困难和耗时的计算成为可能。这就像是把一个大盒子缩成一个小得多的盒子，在这种情况下，盒子代表了一个巨大的数值空间。
打开新大门
并在量子计算机中使用了一种更微型的描述，出来的东西准确地代表了更大系统的能量，它也是经典计算和未来几年量子计算之间的桥梁。这可能看起来像是一个数学魔术，但该方法使用了量子力学的特性和一系列可靠且可重复的严谨数学理论。向下折叠方法不仅为量子计算开辟了途径，还使分析和验证美国对美国能源部(DOE)支持的光源，每天产生海量数据新的、更高效和更准确的方法成为可能，这些光源用于研究亚原子细节。


研究已经展示了如何用哈密顿向下折叠来分析激发电子态的量子行为，这提供了一种用理论来验证数据解释的方法。在通往量子计算的道路上，这些临时步骤是必不可少的，因为它们提供了基本的基准，有助于表明世界距离实现量子霸权有多近。研究将能够对照这些计算来测试量子计算机的输出，如果量子计算机能产生接近这些结果的结果，科学家就知道它们是有效的！


博科园｜研究/来自：太平洋西北国家实验室
参考期刊《化学物理期刊》
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