ORNL研究人員提高了量子計算機的性能基準

能源部橡樹嶺國家實驗室的研究人員開發(fā)了量子化學模擬基準，以評估量子設備的性能并指導未來量子計算機的應用開發(fā)。

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

量子計算機使用量子力學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)具有比當今領先的經(jīng)典計算系統(tǒng)強大的潛力，并有望徹底改變材料，化學，高能物理以及整個科學領域的研究。

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

ORNL的Quantum Testbed Pathfinder項目首席研究員Raphael Pooser說：“我們目前正在運行相當簡單的科學問題，這些問題代表了我們認為這些系統(tǒng)將在將來幫助我們解決的問題。” “這些基準使我們對未來的量子系統(tǒng)在應對相似的，但指數(shù)復雜得多的模擬時將如何運行表現(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的性能。

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

當當前量子體系結(jié)構(gòu)固有的“噪聲”影響其操作時，就會發(fā)生系統(tǒng)錯誤。由于量子計算機非常精密(例如，ORNL團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：“這個新的基準很好地描述了'混合狀態(tài)'，或者環(huán)境與機器如何相互作用的特征。” “這項工作是邁向衡量量子計算機性能的通用基準的關(guān)鍵一步，就像LINPACK指標用于判斷世界上最快的經(jīng)典計算機一樣。”

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

ORNL量子化學家Jacek Jakowski說：“當前的基準測試是朝著一套全面的基準測試和度量標準邁出的第一步，這些基準和度量標準用于管理不同科學領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，它會隨著時間而發(fā)展。ORNL在領域科學，計算機科學和高性能計算方面的廣泛專業(yè)知識使其成為創(chuàng)建此基準套件的理想場所。”

十多年來，ORNL已經(jīng)通過量子計算，網(wǎng)絡，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對當今最艱巨的科學挑戰(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特別是計算領域的領導地位而做出的努力。

這種領導地位將需要諸如Summit之類的系統(tǒng)來確保從ORNL團隊所使用的設備到如今比目前運行中的任何事物都強大的指數(shù)級性能的指數(shù)級功能不斷發(fā)展。

橡樹嶺領導力計算設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習計劃來支持未來量子程序員的發(fā)展。美國能源部科學辦公室高級科學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，因為他們在使命中不斷前進，以實現(xiàn)量子計算在解決當今最大的科學和國家安全挑戰(zhàn)中的潛力。”

接下來，研究小組計劃計算這些分子的指數(shù)級更復雜的激發(fā)態(tài)，這將有助于他們設計出進一步的新穎的錯誤緩解方案，并使實用的量子計算的可能性更接近現(xiàn)實。