Forskere fremmer benchmark for ydeevne for kvantecomputere

Forskere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har udviklet et kvantekemisimuleringsbenchmark for at evaluere ydelsen af ​​kvanteenheder og vejlede udviklingen af ​​applikationer til fremtidige kvantecomputere.

Deres resultater blev offentliggjort i npj Quantum Information .

Kvantecomputere bruger lovene i kvantemekanik og enheder kendt som qubits til i høj grad at øge tærsklen, hvormed information kan transmitteres og behandles. Mens traditionelle "bits" har en værdi på enten 0 eller 1, qubits er kodet med værdier på både 0 og 1, eller enhver kombination deraf, giver mulighed for et stort antal muligheder for lagring af data.

Mens de stadig var i deres tidlige stadier, kvantesystemer har potentiale til at være eksponentielt stærkere end nutidens førende klassiske computersystemer og lover at revolutionere forskning inden for materialer, kemi, højenergifysik, og på tværs af det videnskabelige spektrum.

Men fordi disse systemer er i deres relative barndom, forståelse af, hvilke applikationer der er velegnede til deres unikke arkitekturer, betragtes som et vigtigt forskningsfelt.

"Vi kører i øjeblikket ret simple videnskabelige problemer, der repræsenterer den slags problemer, vi mener, at disse systemer vil hjælpe os med at løse i fremtiden, "sagde ORNLs Raphael Pooser, hovedforsker ved Quantum Testbed Pathfinder -projektet. "Disse benchmarks giver os en idé om, hvordan fremtidige kvantesystemer vil fungere, når vi håndterer lignende, skønt eksponentielt mere komplekst, simuleringer. "

Pooser og hans kolleger beregnede bundenergienergi af alkalihydridmolekyler på 20-qubit IBM Tokyo og 16-qubit Rigetti Aspen-processorer. Disse molekyler er enkle, og deres energier forstås godt, giver dem mulighed for effektivt at teste kvantecomputerens ydeevne.

Ved at indstille kvantecomputeren som en funktion af et par parametre, holdet beregnede disse molekylers bundne tilstande med kemisk nøjagtighed, som blev opnået ved hjælp af simuleringer på en klassisk computer. Af lige stor betydning er det faktum, at kvanteberegningerne også omfattede systematisk fejlreducering, belyser manglerne i nuværende kvantehardware.

Systematisk fejl opstår, når den "støj", der er forbundet med nuværende kvantearkitekturer, påvirker deres drift. Fordi kvantecomputere er ekstremt sarte (f.eks. de qubits, der bruges af ORNL -teamet, opbevares i et fortyndingskøleskab på omkring 20 millikelvin (eller mere end -450 grader Fahrenheit), temperaturer og vibrationer fra deres omgivende omgivelser kan skabe ustabilitet, der afviser deres nøjagtighed. For eksempel, sådan støj kan få en qubit til at rotere 21 grader i stedet for den ønskede 20, påvirker i høj grad en beregnings resultat.

"Dette nye benchmark kendetegner den" blandede tilstand, 'eller hvordan miljøet og maskinen interagerer, meget godt, "Pooser sagde." Dette arbejde er et kritisk skridt i retning af et universelt benchmark for at måle ydelsen af ​​kvantecomputere, meget ligesom LINPACK -metriket bruges til at bedømme de hurtigste klassiske computere i verden. "

Selvom beregningerne var ret enkle i forhold til, hvad der er muligt på førende klassiske systemer som ORNL's Summit, i øjeblikket rangeret som verdens mest kraftfulde computer, kvantekemi, sammen med atomfysik og kvantefeltteori, betragtes som en kvante "dræber -app". Med andre ord, det menes, at efterhånden som kvantecomputere udvikler sig, vil de være i stand til mere præcist og mere effektivt at udføre en bred vifte af kemirelaterede beregninger bedre end nogen klassisk computer, der i øjeblikket er i drift, herunder topmøde.

"Det nuværende benchmark er et første skridt i retning af en omfattende pakke benchmarks og metrics, der styrer ydelsen af ​​kvanteprocessorer for forskellige videnskabelige domæner, "sagde ORNL kvantekemiker Jacek Jakowski." Vi forventer, at det udvikler sig med tiden, efterhånden som kvanteberegningshardwaren forbedres. ORNLs store ekspertise inden for domænevidenskab, datalogi og højtydende computing gør det til det perfekte sted for oprettelsen af ​​denne benchmark-pakke. "

ORNL har planlagt paradigmeskiftende platforme såsom kvante i mere end et årti via dedikerede forskningsprogrammer inden for kvanteberegning, netværk, sensing og kvante materialer. Disse bestræbelser har til formål at fremskynde forståelsen af, hvordan kortsigtede kvanteberegningsressourcer kan hjælpe med at tackle nutidens mest skræmmende videnskabelige udfordringer og understøtte det nyligt annoncerede nationale kvanteinitiativ, en føderal indsats for at sikre amerikansk lederskab inden for kvantevidenskab, især databehandling.

Sådan ledelse vil kræve systemer som Summit for at sikre en stabil march fra enheder som dem, der bruges af ORNL-teamet til større kvantesystemer, der er eksponentielt mere kraftfulde end noget, der er i drift i dag.

Adgang til IBM og Rigetti -processorer blev leveret af Quantum Computing User Program på Oak Ridge Leadership Computing Facility, som giver tidlig adgang til eksisterende, kommercielle kvanteberegningssystemer, samtidig med at de støtter udviklingen af ​​fremtidige kvanteprogrammører gennem uddannelsesmæssige opsøgende og praktikprogrammer. Støtte til forskningen kom fra DOE's Office of Science Advanced Scientific Computing Research -program.

"Dette projekt hjælper DOE med bedre at forstå, hvad der vil fungere, og hvad der ikke vil fungere, når de går videre i deres mission om at realisere potentialet i quantum computing til at løse nutidens største videnskabelige og nationale sikkerhedsudfordringer, "Sagde Pooser.

Næste, teamet planlægger at beregne disse molekylers eksponentielt mere komplekse ophidsede tilstande, som vil hjælpe dem med at udtænke nye nye fejlreducerende ordninger og bringe muligheden for praktisk kvanteberegning et skridt tættere på virkeligheden.