Forskere satte benchmark for at bestemme opnåelsen af ​​kvanteberegning

Løbet mod den første praktiske kvantecomputer er i fuld gang. Virksomheder, lande, samarbejdspartnere, og konkurrenter verden over dyster om kvanteoverlegenhed. Google siger, at det allerede er der. Men hvad betyder det? Hvordan vil verden vide, når den er opnået?

Ved hjælp af klassiske computere, beregningsforskere på PNNL har sat et mærke, som et kvantesystem skulle være nødvendigt at overgå for at etablere kvanteoverherredømme inden for kemi.

Det skyldes, at de hurtigste klassiske computere, der er tilgængelige i dag, bliver bedre og bedre til at simulere, hvad en kvantecomputer i sidste ende forventes at gøre. For at bevise sig selv i den virkelige verden, en kvantecomputer skal være i stand til at overgå, hvad en hurtig supercomputer kan. Og det er her det PNNL-ledede team har sat et benchmark for kvantecomputere at slå.

"Klassisk simulering af kvantekemiproblemer fungerer som en målstolpe for kvantecomputere, "sagde Karol Kowalski, en beregningskemiker på PNNL. "Når en kvantecomputer kan slå, hvad vores bedste parallelle computersystemer kan, quantum computing -udviklere ved, at de er, hvor de skal være. Dette er et benchmark for at inspirere til innovation. "

Ved 113 elektroner, den nylige benchmarksimulering er det største kvantesystem, der nogensinde er simuleret med dette præcise nøjagtighedsniveau ved hjælp af en klassisk computer. Arbejde med samarbejdspartnere i Ungarn og Tjekkiet, PNNL -teamet satte benchmark ved at simulere strukturen af ​​en vigtig kemisk struktur i nitrogenase, et enzym, der omdanner nitrogen i atmosfæren til brugbar gødning til planter. Enzymet er genstand for intens undersøgelse, fordi det kan være nøglen til at producere mad nok til at fodre en stadig voksende global befolkning.

Forståelse for, hvordan dette enzym er i stand til at bryde den stærke nitrogen -trippelbinding, mens jeg bruger meget lidt energi, kunne være nøglen til nyt katalysatordesign, til sidst levere rigelig gødning, der i øjeblikket produceres ved hjælp af en kemisk proces, der kræver store energitilførsler.

Skrumper kvantekemiproblemet

"Kompleks kvantekemi er præcis den slags problemer, hvor det virkelig kunne gøre en forskel at have en kvantecomputer til rådighed, "sagde Sriram Krishnamoorthy, en højtydende computerekspert og kvantecomputerende forsker ved PNNL. ”Vi arbejder på at skabe de programmer, der vil køre på kvantecomputere.

"Når kvantecomputere ankommer, vi vil være klar til dem, "sagde Krishnamoorthy.

Krishnamoorthy, Kowalski, og deres PNNL -kolleger arbejder sammen med partnere hos Microsoft, gennem den nordvestlige Quantum Nexus, både at simulere, hvordan en kvantecomputer vil fungere, og skrive programmer, der fungerer på enhver kvantecomputer, der kommer ud af den intense globale konkurrence.

"Almindelige computere, herunder dagens hurtigste supercomputere, er utilstrækkelige til at simulere kvantesystemer, der er nødvendige for at beskrive udfordrende og vigtige molekylære systemer og processer, "sagde Kowalski." Bedre beregningsværktøjer er nødvendige for at forstå kemiske systemer og designe nye materialer. "

Indtil en kvantecomputer i fuld skala er tilgængelig, PNNL -teamet arbejdede sammen med Microsoft -eksperter for at udvikle en bro mellem nuværende digitale computere og det næste. Workflowet drager fordel af, hvad klassiske computere klarer sig godt nu, mens du bruger de nuværende muligheder for kvantecomputing til at beskrive kemiske transformationer, der er relevante for industrielle processer såsom energiproduktion og energilagring.

Nøglen, ifølge forskergruppen, skulle tage output fra en klassisk computer og være i stand til at konvertere disse oplysninger til et input, der kan tolkes af en kvantecomputer. Forskerne offentliggjorde denne kvanteberegningsmetode i midten af ​​2019.

Siden da, PNNL -teamet har taget endnu et stort skridt i at bygge bro mellem klassiske og kvante computere. De udviklede en computeralgoritme, der udnytter et matematisk trick kaldet "downfolding". I det væsentlige, nedfoldning muliggør vanskelige og tidskrævende beregninger på nuværende kvantecomputere med testbed.

"Dette er som at krympe en stor kasse til en meget mindre kasse, "sagde Kowalski." I dette tilfælde, boksen repræsenterer et stort numerisk mellemrum. Vi bruger en mere kompakt beskrivelse i en kvantecomputer, og hvad der kommer ud, repræsenterer nøjagtigt energien i det meget større system. Det er en bro mellem klassisk computing og det, der vil være kvanteberegning i de kommende år. "

Det kan virke som et matematisk magisk trick, men Kowalski tilføjer, at metoden anvender kvantemekanikkens egenskaber og en række strenge matematiske teorier, der er pålidelige og reproducerbare.

Åbner nye døre

Downfolding -metoden åbner ikke kun veje til quantum computing, det muliggør også nyt, meget mere effektive og nøjagtige måder at analysere og validere mængden af ​​data, der genereres hver dag fra den amerikanske investering i US Department of Energy (DOE) -understøttede lyskilder, der bruges til at studere vores verden i subatomære detaljer.

"Vi har vist, hvordan kvanteadfærden for ophidsede elektroniske tilstande kan analyseres med Hamiltoniansk nedfoldning, "sagde Kowalski." Dette giver en måde at bruge teori til at validere datatolkning. "

Disse midlertidige trin på vejen til kvanteberegning er afgørende, fordi de giver vigtige benchmarks, der hjælper med at vise, hvor tæt verden er på at nå kvanteoverherredømme.

"Vi vil være i stand til at teste output fra kvantecomputere mod disse beregninger, "sagde Krishnamoorthy." Hvis kvantecomputere kan producere resultater tæt på disse resultater, vi ved, at de virker. "