作者:卡伦·海德，太平洋西北国家实验室 可扩展量子位阵列
信用:太平洋西北国家实验室 迈向第一台实用量子计算机的竞赛正在全力进行
全世界的公司、国家、合作者和竞争对手都在争夺量子霸权
谷歌说已经有了
但这意味着什么呢？世界如何知道它何时实现？ 利用经典计算机，PNNL的计算科学家已经设定了一个标志，即量子系统需要超越才能在化学领域建立量子优势
这是因为当今最快的经典计算机越来越擅长模拟量子计算机最终会做什么
为了在现实世界中证明自己，量子计算机需要能够超越快速超级计算机的能力
这也是PNNL领导的团队为量子计算机树立了一个标杆的地方
“量子化学问题的经典模拟是量子计算机的标杆，”PNNL大学的计算化学家凯罗尔·科瓦尔斯基说
“当量子计算机能够超越我们最好的并行计算系统时，量子计算开发人员就会知道他们在哪里
这是激励创新的基准
" 在113个电子的情况下，最近的基准模拟是有史以来最大的量子系统，使用经典计算机以如此精确的精度模拟
PNNL团队与匈牙利和捷克共和国的合作者合作，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
这种酶是深入研究的对象，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
了解这种酶如何能够打破强氮三键，同时消耗很少的能量，可能是新催化剂设计的关键，最终提供目前使用需要大量能量输入的化学过程生产的大量肥料
缩小量子化学问题 PNNL大学的高性能计算专家和量子计算首席科学家斯利拉姆·克里希那穆提说:“复杂的量子化学恰恰是一个有量子计算机的问题，它真的会有所作为。”
“我们正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，”克里希纳摩尔蒂说
克里希纳摩尔蒂、科瓦尔斯基和他们在PNNL的同事正通过西北量子网络与微软的合作伙伴合作，共同模拟量子计算机的工作方式，并编写能在激烈的全球竞争中出现的任何量子计算机上工作的程序
科瓦尔斯基说:“传统的计算机，包括当今最快的超级计算机，不足以模拟描述具有挑战性和重要性的分子系统和过程所需的量子系统。”
“需要更好的计算工具来理解化学系统和设计新材料
" 在全尺寸量子计算机问世之前，PNNL团队与微软专家合作，在当前的数字计算机和未来之间架起了一座桥梁
该工作流程利用了经典计算机目前的优势，同时利用量子计算的当前能力来描述与工业过程相关的化学转化，如能源生成和能源存储
根据研究小组的说法，关键是获取经典计算机的输出，并能够将这些信息转换成量子计算机可以解释的输入
研究人员在2019年中期公布了这种量子计算方法
从那以后，PNNL团队在连接经典计算机和量子计算机方面又迈出了一大步
他们开发了一种计算机算法，这种算法利用了一种叫做“向下折叠”的数学技巧
“本质上，向下折叠使得在当前的测试平台量子计算机上进行困难而耗时的计算成为可能
“这就像把一个大盒子缩小成一个小得多的盒子，”科瓦尔斯基说
“在这种情况下，盒子代表一个巨大的数字空间
我们在量子计算机中使用了一个更简洁的描述，它准确地代表了更大系统的能量
这是经典计算和未来几年的量子计算之间的桥梁
" 这看起来像是一个数学魔术，但科瓦尔斯基补充说，这种方法利用了量子力学的特性和一系列可靠且可复制的严格数学理论
打开新的大门 这种向下折叠的方法不仅为量子计算开辟了道路，还使分析和验证每天从美国产生的大量数据的新的、更有效和更准确的方法成为可能
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美国投资
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能源部支持的光源用于研究我们的亚原子世界
科瓦尔斯基说:“我们已经展示了如何利用哈密顿量的下降来分析激发态的量子行为。”
“这提供了一种使用理论来验证数据解释的方法
" 量子计算道路上的这些过渡步骤至关重要，因为它们提供了重要的基准，有助于显示世界距离实现量子霸权有多近
“我们将能够根据这些计算来测试量子计算机的输出，”克里希纳摩尔蒂说
“如果量子计算机能够产生接近这些结果的结果，我们将知道它们是有效的
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