实用型“量子计算机”怎么才算成功超过这个量-中国医学计算机成像杂志

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实用型“量子计算机”怎么才算成功超过这个量

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世界上第一台实用量子计算机的竞赛正在如火如荼地进行。世界各地的公司、国家、合作者和竞争对手都在争夺量子霸权。谷歌说：已经有了！但是，这是什么意思？世界如何知道这一目标何时实现？ PNNL（太平洋西北国家实验室）的计算科学家使用经典计算机设定了一个基准，量子系统需要超过该基准才能在化学领域建立量子霸权。

这是因为当今最快的经典计算机在模拟量子计算机最终会做什么方面变得越来越好。为了在现实世界中证明自己，量子计算机需要能够超越超级计算机的能力。这就是太平洋西北国家实验室团队如何为可以被击败的量子计算机设定基准。

太平洋西北国家实验室的计算化学家 Carol Kowalski 说：量子化学问题的经典模拟是量子计算机的目标。当量子计算机能够击败可用的最佳并行计算系统时，量子计算开发人员就会知道他们在哪里。

这也是激励创新的基准。基准模拟有 113 个电子，这是有史以来用经典计算机在这种精度水平上模拟的最大的量子系统。太平洋西北国家实验室团队与匈牙利和捷克共和国的合作者合作，通过模仿固氮酶中重要化学结构的结构来设定基准。氮酶是一种将大气中的氮转化为植物肥料的酶。这种酶是深入研究的主题，因为它可能是生产足够食物来养活不断增长的全球人口的关键。

了解这种酶如何在消耗很少能量的情况下打破强氮三键可能是设计新催化剂的关键，最终提供大量目前使用需要大量能量输入的化学过程生产的肥料。太平洋西北国家实验室的高性能计算专家和量子计算首席科学家 Sriram Krishnamurti 说：如果你有一台量子计算机，复杂的量子化学正是那种真正可以解决的问题。我们正在努力工作。为了创建将在量子计算机上运行的程序，当量子计算机到来时，我们将为它们做好准备。

来自太平洋西北国家实验室的 Krishnamurti、Kowalski 和同事正在与微软的合作伙伴合作，通过 Northwest Quantum Nexus 模拟量子计算机的工作原理，并将它们写入任何在量子计算机上运行的从程序中量子计算机上运行的程序在激烈的全球竞争中脱颖而出.传统计算机，包括目前最快的超级计算机，不足以模拟描述具有挑战性和重要的分子系统过程所需的量子系统。了解化学系统和设计新材料需要更好的计算工具。

在全尺寸量子计算机出现之前，太平洋西北国家实验室团队与微软专家合作，在当前的数字计算机和未来的计算机之间架起了一座桥梁。该工作流程利用了经典计算机现在做得很好的优势，同时使用量子计算的当前能力来描述与工业过程（如能源生产和储能）相关的化学变化。关键是获得经典计算机的输出，并能够将这些信息转换为量子计算机可以解释的输入，而这种量子计算方法之前已经发表过。

从那时起，太平洋西北国家实验室团队在连接经典计算机和量子计算机方面又迈出了一大步。他们开发了一种计算机算法，该算法使用一种称为“折叠”数学技能的方法。本质上，折叠使得在当前的实验量子计算机上执行困难且耗时的计算成为可能。这就像将一个大盒子缩小成一个小得多的盒子。在这种情况下，框代表一个巨大的数字空间。

量子计算机中使用了更微型的描述，输出准确地代表了更大系统的能量。它也是未来几年经典计算和量子计算之间的桥梁。这似乎是一种数学魔术，但该方法利用了量子力学的特性和一系列可靠且可重复的严格数学理论。折叠方法不仅为量子计算开辟了一条道路，而且使分析和验证美国能源部 (DOE) 支持的光源成为可能，每天生成海量数据，新的、更高效和更准确的方法是，这些光源用于研究亚原子细节。

研究展示了如何使用哈密顿折叠来分析激发电子态的量子行为，这提供了一种使用理论来验证数据解释的方法。在通往量子计算的道路上，这些临时步骤是必不可少的，因为它们提供了一个基本的基准，并有助于表明世界离实现量子霸权还有多远。研究将能够根据这些计算测试量子计算机的输出。如果量子计算机能够产生接近这些结果的结果，科学家们就会知道它们是有效的！

文章来源：《中国医学计算机成像杂志》网址: http://www.zgyxjsjcxzzzzs.cn/zonghexinwen/2021/0808/456.html