ORNL研究人員提高了量子計算機(jī)的性能基準(zhǔn)

能源部橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員開發(fā)了量子化學(xué)模擬基準(zhǔn)，以評估量子設(shè)備的性能并指導(dǎo)未來量子計算機(jī)的應(yīng)用開發(fā)。

他們的發(fā)現(xiàn) 發(fā)表 在 npj Quantum Information上。

量子計算機(jī)使用量子力學(xué)定律和稱為量子位的單位大大提高了可以傳輸和處理信息的閾值。傳統(tǒng)的“位”的值為0或1，而qubit則使用0和1的值或其任意組合進(jìn)行編碼，從而為存儲數(shù)據(jù)提供了多種可能性。

盡管仍處于早期階段，但量子系統(tǒng)具有比當(dāng)今領(lǐng)先的經(jīng)典計算系統(tǒng)強(qiáng)大的潛力，并有望徹底改變材料，化學(xué)，高能物理以及整個科學(xué)領(lǐng)域的研究。

但是由于這些系統(tǒng)還處于起步階段，因此了解哪些應(yīng)用程序非常適合其獨(dú)特的體系結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是重要的研究領(lǐng)域。

ORNL的Quantum Testbed Pathfinder項目首席研究員Raphael Pooser說：“我們目前正在運(yùn)行相當(dāng)簡單的科學(xué)問題，這些問題代表了我們認(rèn)為這些系統(tǒng)將在將來幫助我們解決的問題。” “這些基準(zhǔn)使我們對未來的量子系統(tǒng)在應(yīng)對相似的，但指數(shù)復(fù)雜得多的模擬時將如何運(yùn)行表現(xiàn)有了一個想法。”

Pooser和他的同事計算了20比特IBM Tokyo和16比特Rigetti Aspen處理器上堿金屬氫化物分子的束縛態(tài)能。這些分子很簡單，能量也很容易理解，因此可以有效地測試量子計算機(jī)的性能。

通過根據(jù)一些參數(shù)對量子計算機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，研究小組以化學(xué)精度計算了這些分子的鍵合態(tài)，這是通過經(jīng)典計算機(jī)上的模擬獲得的。同樣重要的是，量子計算還包括系統(tǒng)化的誤差減輕功能，這一事實(shí)說明了當(dāng)前量子硬件的缺點(diǎn)。

當(dāng)當(dāng)前量子體系結(jié)構(gòu)固有的“噪聲”影響其操作時，就會發(fā)生系統(tǒng)錯誤。由于量子計算機(jī)非常精密(例如，ORNL團(tuán)隊使用的量子位保存在約20毫開爾文(或超過-450華氏度)的稀釋冰箱中，其周圍環(huán)境的溫度和振動會產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，從而引發(fā)不穩(wěn)定現(xiàn)象例如，此類噪聲可能導(dǎo)致量子位旋轉(zhuǎn)21度而不是所需的20度，從而極大地影響了計算結(jié)果。

Pooser說：“這個新的基準(zhǔn)很好地描述了'混合狀態(tài)'，或者環(huán)境與機(jī)器如何相互作用的特征。” “這項工作是邁向衡量量子計算機(jī)性能的通用基準(zhǔn)的關(guān)鍵一步，就像LINPACK指標(biāo)用于判斷世界上最快的經(jīng)典計算機(jī)一樣。”

盡管與領(lǐng)先的經(jīng)典系統(tǒng)(例如ORNL的Summit)(目前被評為全球最強(qiáng)大的計算機(jī))所能進(jìn)行的計算相比，其計算相當(dāng)簡單，但量子化學(xué)以及核物理和量子場論被認(rèn)為是一種量子“殺手級應(yīng)用”。換句話說，人們相信，隨著它們的發(fā)展，量子計算機(jī)將比目前正在運(yùn)行的任何經(jīng)典計算機(jī)(包括Summit)更好，更準(zhǔn)確，更高效地進(jìn)行廣泛的化學(xué)相關(guān)計算。

ORNL量子化學(xué)家Jacek Jakowski說：“當(dāng)前的基準(zhǔn)測試是朝著一套全面的基準(zhǔn)測試和度量標(biāo)準(zhǔn)邁出的第一步，這些基準(zhǔn)和度量標(biāo)準(zhǔn)用于管理不同科學(xué)領(lǐng)域的量子處理器的性能。” “我們希望隨著量子計算硬件的改進(jìn)，它會隨著時間而發(fā)展。ORNL在領(lǐng)域科學(xué)，計算機(jī)科學(xué)和高性能計算方面的廣泛專業(yè)知識使其成為創(chuàng)建此基準(zhǔn)套件的理想場所。”

十多年來，ORNL已經(jīng)通過量子計算，網(wǎng)絡(luò)，傳感和量子材料方面的專門研究計劃，為諸如量子之類的范式轉(zhuǎn)換平臺進(jìn)行了規(guī)劃。這些努力旨在加深對近期量子計算資源如何幫助應(yīng)對當(dāng)今最艱巨的科學(xué)挑戰(zhàn)的理解，并支持最近宣布的國家量子計劃(National Quantum Initiative)，這是聯(lián)邦政府為確保美國在量子科學(xué)特別是計算領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位而做出的努力。

這種領(lǐng)導(dǎo)地位將需要諸如Summit之類的系統(tǒng)來確保從ORNL團(tuán)隊所使用的設(shè)備到如今比目前運(yùn)行中的任何事物都強(qiáng)大的指數(shù)級性能的指數(shù)級功能不斷發(fā)展。

橡樹嶺領(lǐng)導(dǎo)力計算設(shè)施的量子計算用戶程序提供了對IBM和Rigetti處理器的訪問，該程序可以早期訪問現(xiàn)有的商業(yè)量子計算系統(tǒng)，同時通過教育推廣和實(shí)習(xí)計劃來支持未來量子程序員的發(fā)展。美國能源部科學(xué)辦公室高級科學(xué)計算研究計劃為這項研究提供了支持。

Pooser表示：“這個項目有助于DOE更好地了解可行和不可行的方法，因?yàn)樗麄冊谑姑胁粩嗲斑M(jìn)，以實(shí)現(xiàn)量子計算在解決當(dāng)今最大的科學(xué)和國家安全挑戰(zhàn)中的潛力。”

接下來，研究小組計劃計算這些分子的指數(shù)級更復(fù)雜的激發(fā)態(tài)，這將有助于他們設(shè)計出進(jìn)一步的新穎的錯誤緩解方案，并使實(shí)用的量子計算的可能性更接近現(xiàn)實(shí)。