以第一臺實用量子計算機為目標(biāo)的競賽正在全面展開。全球各家公司、各國、合作者和競爭對手都在激烈爭奪量子霸權(quán)。谷歌說量子霸權(quán)已經(jīng)出現(xiàn)了。量子霸權(quán)是什么意思？是怎么知道量子霸權(quán)是什么時候?qū)崿F(xiàn)的呢？

利用經(jīng)典計算機，PNNL（Pacific Northwest National Laboratory，美國太平洋西北國家實驗室）的計算科學(xué)家們已經(jīng)定立了一個基準(zhǔn)，一個量子系統(tǒng)需要超越這個基準(zhǔn)才能叫在化學(xué)領(lǐng)域建立了量子霸權(quán)。

這是因為現(xiàn)在最快的經(jīng)典計算機在模擬量子計算機最終能做什么方面越來越好。為了在真實世界中證明有用，量子計算機必須能夠超越傳統(tǒng)超級計算機的能力，而這，正是PNNL領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊為量子計算機設(shè)定的基準(zhǔn)。

PNNL的計算化學(xué)家卡羅爾·科瓦爾斯基（Karol Kowalski）說：“量子化學(xué)問題的經(jīng)典模擬是量子計算機的一個目標(biāo)?！爱?dāng)一臺量子計算機能夠超越我們最好的并行計算系統(tǒng)的計算性能時，量子計算開發(fā)人員就能知道他們下一步需要努力做什么研究。這是一個激勵創(chuàng)新的基準(zhǔn)?！?/p>

最新的模擬計算基準(zhǔn)，模擬了113個電子，是有史以來用經(jīng)典計算機在此精度上模擬的最大量子系統(tǒng)。PNNL小組與匈牙利和捷克共和國的研究者合作，通過模擬固氮酶中一種重要化學(xué)結(jié)構(gòu)來設(shè)定基準(zhǔn)，固氮酶是一種將大氣中的氮轉(zhuǎn)化為可供植物使用的肥料的酶。這種酶之所以成為研究的熱點，是因為它可能是生產(chǎn)足夠糧食以養(yǎng)活不斷增長的全球人口的關(guān)鍵。

了解這種酶如何能夠在消耗很少能量的同時，打破氮的三鍵，可能是新催化劑設(shè)計的關(guān)鍵，最終降低肥料的生產(chǎn)成本，提供充足的肥料，目前肥料生產(chǎn)需要很多化學(xué)工藝，需要大量能量投入。

縮小量子化學(xué)問題

PNNL的高性能計算專家和量子計算首席科學(xué)家斯利拉姆·克里希納莫蒂（Sriram Krishnamoorthy）說：“擁有一臺可用的量子計算機可能真的會給復(fù)雜的量子化學(xué)領(lǐng)域帶來變化?！薄拔覀冋谘邪l(fā)將在量子計算機上運行的程序?！啊爱?dāng)量子計算機到來時，我們將做好準(zhǔn)備”，克里希納莫蒂說。

克里希納莫蒂、科瓦爾斯基和他們的PNNL同事正在通過Northwest Quantum Nexus（西北量子網(wǎng)絡(luò)）與微軟的研究人員合作，既包括模擬量子計算機的工作方式，還有為可能在激烈的全球競爭中出現(xiàn)的任何量子計算機編寫工作程序。

科瓦爾斯基說：“分析具有挑戰(zhàn)性的、重要的分子系統(tǒng)需要量子計算機，傳統(tǒng)的計算機，包括當(dāng)今最快的超級計算機，都不足以模擬這種量子計算機?！薄袄斫饣瘜W(xué)體系和設(shè)計新材料需要更好的計算工具。”

在全尺寸量子計算機問世之前，PNNL團(tuán)隊與微軟專家合作，在當(dāng)前的數(shù)字計算機和下一代計算機之間架起一座橋梁。工作流程利用了經(jīng)典計算機目前的優(yōu)勢，同時利用目前的量子計算能力來描述與工業(yè)過程（如能源生產(chǎn)和能源儲存）相關(guān)的化學(xué)轉(zhuǎn)化。

研究小組認(rèn)為，關(guān)鍵是要獲取一臺經(jīng)典計算機的輸出，并能將這些信息轉(zhuǎn)換成一個可以被量子計算機解釋的輸入。研究人員在2019年年中發(fā)表了這一量子計算方法。

從那時起，PNNL團(tuán)隊在連接經(jīng)典計算機和量子計算機方面又邁出了一大步。他們開發(fā)了一種計算機算法，利用了一種叫做“向下折疊”（downfolding）的數(shù)學(xué)技巧。本質(zhì)上，向下折疊使得在目前的試驗臺量子計算機上進(jìn)行困難和耗時的計算成為可能。

科瓦爾斯基說：“這就像把一個大盒子縮小成一個小得多的盒子?！薄霸谶@種情況下，方框代表一個巨大的數(shù)值空間。我們在量子計算機中使用更緊湊的描述，所得到的結(jié)果準(zhǔn)確地表示了更大系統(tǒng)的能量。它是經(jīng)典計算和未來幾年量子計算之間的橋梁?！?/p>

這似乎是一個數(shù)學(xué)竅門，但科瓦爾斯基補充說，該方法使用量子力學(xué)的性質(zhì)和一系列嚴(yán)格的數(shù)學(xué)理論，是可靠和可復(fù)現(xiàn)的。

打開新的大門

這種向下折疊的方法不僅為量子計算開辟了新的途徑，而且讓使用更有效和更精確的方法來分析和驗證美國能源部（DOE）每天產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)成為可能，這些數(shù)據(jù)來源于美國能源部支持的光源，研究精度在亞原子級別。

科瓦爾斯基說：“我們已經(jīng)展示了如何用哈密頓下折（Hamiltonian downfolding）來分析激發(fā)態(tài)電子的量子行為?！薄斑@提供了一種用理論來驗證解釋數(shù)據(jù)的方法。”

這些通往量子計算之路的過渡步驟至關(guān)重要，因為它們提供了重要的基準(zhǔn)，有助于展示世界與實現(xiàn)量子霸權(quán)的距離有多近。

“我們將能夠根據(jù)這些計算來測試量子計算機的輸出”，克里希納莫蒂說道，“如果量子計算機能產(chǎn)生接近這些結(jié)果的結(jié)果，我們就會知道它們是有效的?！?/p>

這篇專題文章中描述的工作得到了美國能源部、科學(xué)辦公室（Office of Science）、基礎(chǔ)能源科學(xué)辦公室（Office of Basic Energy Sciences）、化學(xué)科學(xué)、地球科學(xué)和生物科學(xué)司（the Chemical Sciences， Geosciences， and Biosciences Division）的支持。這項研究的一部分是由PNNL的類星體計劃（Quantum Algorithms， Software， and Architectures （QUASAR） Initiative）資助的。一些計算是在環(huán)境分子科學(xué)實驗室（the Environmental Molecular Sciences Laboratory，EMSL）進(jìn)行的，該實驗室是由美國能源部資助的國家用戶設(shè)施，位于PNNL。