可扩展的qubit阵列

撰文丨Karyn Hede

翻译丨理工科人

以第一台实用量子计算机为目标的竞赛正在全面展开。全球各家公司、各国、合作者和竞争对手都在激烈争夺量子霸权。谷歌说量子霸权已经出现了。量子霸权是什么意思？是怎么知道量子霸权是什么时候实现的呢？

利用经典计算机，PNNL（Pacific Northwest National Laboratory，美国太平洋西北国家实验室）的计算科学家们已经定立了一个基准，一个量子系统需要超越这个基准才能叫在化学领域建立了量子霸权。

这是因为现在最快的经典计算机在模拟量子计算机最终能做什么方面越来越好。为了在真实世界中证明有用，量子计算机必须能够超越传统超级计算机的能力，而这，正是PNNL领导的团队为量子计算机设定的基准。

PNNL的计算化学家卡罗尔·科瓦尔斯基（Karol Kowalski）说：“量子化学问题的经典模拟是量子计算机的一个目标。“当一台量子计算机能够超越我们最好的并行计算系统的计算性能时，量子计算开发人员就能知道他们下一步需要努力做什么研究。这是一个激励创新的基准。”

最新的模拟计算基准，模拟了113个电子，是有史以来用经典计算机在此精度上模拟的最大量子系统。PNNL小组与匈牙利和捷克共和国的研究者合作，通过模拟固氮酶中一种重要化学结构来设定基准，固氮酶是一种将大气中的氮转化为可供植物使用的肥料的酶。这种酶之所以成为研究的热点，是因为它可能是生产足够粮食以养活不断增长的全球人口的关键。

了解这种酶如何能够在消耗很少能量的同时，打破氮的三键，可能是新催化剂设计的关键，最终降低肥料的生产成本，提供充足的肥料，目前肥料生产需要很多化学工艺，需要大量能量投入。

缩小量子化学问题

PNNL的高性能计算专家和量子计算首席科学家斯利拉姆·克里希纳莫蒂（Sriram Krishnamoorthy）说：“拥有一台可用的量子计算机可能真的会给复杂的量子化学领域带来变化。”“我们正在研发将在量子计算机上运行的程序。““当量子计算机到来时，我们将做好准备”，克里希纳莫蒂说。

克里希纳莫蒂、科瓦尔斯基和他们的PNNL同事正在通过Northwest Quantum Nexus（西北量子网络）与微软的研究人员合作，既包括模拟量子计算机的工作方式，还有为可能在激烈的全球竞争中出现的任何量子计算机编写工作程序。

科瓦尔斯基说：“分析具有挑战性的、重要的分子系统需要量子计算机，传统的计算机，包括当今最快的超级计算机，都不足以模拟这种量子计算机。”“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，PNNL团队与微软专家合作，在当前的数字计算机和下一代计算机之间架起一座桥梁。工作流程利用了经典计算机目前的优势，同时利用目前的量子计算能力来描述与工业过程（如能源生产和能源储存）相关的化学转化。

研究小组认为，关键是要获取一台经典计算机的输出，并能将这些信息转换成一个可以被量子计算机解释的输入。研究人员在2019年年中发表了这一量子计算方法。

从那时起，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，利用了一种叫做“向下折叠”（downfolding）的数学技巧。本质上，向下折叠使得在目前的试验台量子计算机上进行困难和耗时的计算成为可能。

科瓦尔斯基说：“这就像把一个大盒子缩小成一个小得多的盒子。”“在这种情况下，方框代表一个巨大的数值空间。我们在量子计算机中使用更紧凑的描述，所得到的结果准确地表示了更大系统的能量。它是经典计算和未来几年量子计算之间的桥梁。”

这似乎是一个数学窍门，但科瓦尔斯基补充说，该方法使用量子力学的性质和一系列严格的数学理论，是可靠和可复现的。

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新的途径，而且让使用更有效和更精确的方法来分析和验证美国能源部（DOE）每天产生的大量数据成为可能，这些数据来源于美国能源部支持的光源，研究精度在亚原子级别。

科瓦尔斯基说：“我们已经展示了如何用哈密顿下折（Hamiltonian downfolding）来分析激发态电子的量子行为。”“这提供了一种用理论来验证解释数据的方法。”

这些通往量子计算之路的过渡步骤至关重要，因为它们提供了重要的基准，有助于展示世界与实现量子霸权的距离有多近。

“我们将能够根据这些计算来测试量子计算机的输出”，克里希纳莫蒂说道，“如果量子计算机能产生接近这些结果的结果，我们就会知道它们是有效的。”

这篇专题文章中描述的工作得到了美国能源部、科学办公室（Office of Science）、基础能源科学办公室（Office of Basic Energy Sciences）、化学科学、地球科学和生物科学司（the Chemical Sciences， Geosciences， and Biosciences Division）的支持。这项研究的一部分是由PNNL的类星体计划（Quantum Algorithms， Software， and Architectures （QUASAR） Initiative）资助的。一些计算是在环境分子科学实验室（the Environmental Molecular Sciences Laboratory，EMSL）进行的，该实验室是由美国能源部资助的国家用户设施，位于PNNL。