Forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har utvecklat ett kvantkemi-simuleringsriktmärke för att utvärdera prestanda hos kvantenheter och vägleda utvecklingen av applikationer för framtida kvantdatorer.

Deras resultat publicerades i npj Kvantinformation .

Kvantdatorer använder kvantmekanikens lagar och enheter som kallas qubits för att kraftigt öka tröskeln vid vilken information kan överföras och bearbetas. Medan traditionella "bitar" har ett värde på antingen 0 eller 1, qubits är kodade med värden på både 0 och 1, eller någon kombination därav, ger ett stort antal möjligheter att lagra data.

Medan de fortfarande var i ett tidigt skede, kvantsystem har potential att bli exponentiellt kraftfullare än dagens ledande klassiska datorsystem och lovar att revolutionera forskningen inom material, kemi, högenergifysik, och över hela det vetenskapliga spektrumet.

Men eftersom dessa system är i sin relativa linda, att förstå vilka applikationer som är väl lämpade för deras unika arkitekturer anses vara ett viktigt forskningsområde.

"Vi kör för närvarande ganska enkla vetenskapliga problem som representerar den typ av problem vi tror att dessa system kommer att hjälpa oss att lösa i framtiden, " sa ORNLs Raphael Pooser, huvudutredare för projektet Quantum Testbed Pathfinder. "Dessa riktmärken ger oss en uppfattning om hur framtida kvantsystem kommer att prestera när vi tacklar liknande, även om det är exponentiellt mer komplext, simuleringar."

Pooser och hans kollegor beräknade den bundna tillståndsenergin för alkalihydridmolekyler på 20-qubit IBM Tokyo och 16-qubit Rigetti Aspen-processorer. Dessa molekyler är enkla och deras energier väl förstådda, så att de effektivt kan testa kvantdatorns prestanda.

Genom att ställa in kvantdatorn som en funktion av några parametrar, laget beräknade dessa molekylers bundna tillstånd med kemisk noggrannhet, som erhölls med hjälp av simuleringar på en klassisk dator. Lika viktigt är det faktum att kvantberäkningarna också inkluderade systematisk felreducering, belysa bristerna i nuvarande kvanthårdvara.

Systematiska fel uppstår när "bruset" som finns i nuvarande kvantarkitekturer påverkar deras funktion. Eftersom kvantdatorer är extremt känsliga (t.ex. qubits som används av ORNL-teamet förvaras i ett utspädningskylskåp vid cirka 20 millikelvin (eller mer än -450 grader Fahrenheit), temperaturer och vibrationer från deras omgivande miljöer kan skapa instabilitet som försämrar deras noggrannhet. Till exempel, sådant brus kan få en qubit att rotera 21 grader istället för de önskade 20, i hög grad påverkar resultatet av en beräkning.

"Detta nya riktmärke kännetecknar det "blandade tillståndet, eller hur miljön och maskinen samverkar, mycket bra, " sade Pooser. "Detta arbete är ett kritiskt steg mot ett universellt riktmärke för att mäta prestanda hos kvantdatorer, ungefär som LINPACK-måttet används för att bedöma de snabbaste klassiska datorerna i världen."

Även om beräkningarna var ganska enkla jämfört med vad som är möjligt på ledande klassiska system som ORNL's Summit, för närvarande rankad som världens mest kraftfulla dator, kvantkemi, tillsammans med kärnfysik och kvantfältteori, anses vara en kvant "mördarapp". Med andra ord, man tror att kvantdatorer, när de utvecklas, kommer att kunna utföra ett brett spektrum av kemirelaterade beräkningar mer exakt och effektivt än någon klassisk dator som för närvarande är i drift, inklusive toppmötet.

"Det nuvarande riktmärket är ett första steg mot en omfattande uppsättning riktmärken och mätvärden som styr prestanda hos kvantprocessorer för olika vetenskapsdomäner, " sa ORNL kvantkemist Jacek Jakowski. "Vi förväntar oss att det kommer att utvecklas med tiden i takt med att kvantberäkningshårdvaran förbättras. ORNL:s stora expertis inom domänvetenskap, datavetenskap och högpresterande datorer gör det till den perfekta platsen för skapandet av denna benchmark-svit."

ORNL har planerat för paradigmskiftande plattformar som quantum i mer än ett decennium via dedikerade forskningsprogram inom quantum computing, nätverk, avkänning och kvantmaterial. Dessa ansträngningar syftar till att påskynda förståelsen av hur kortsiktiga kvantberäkningsresurser kan hjälpa till att tackla dagens mest skrämmande vetenskapliga utmaningar och stödja det nyligen tillkännagivna National Quantum Initiative, en federal ansträngning för att säkerställa amerikanskt ledarskap inom kvantvetenskap, särskilt datoranvändning.

Ett sådant ledarskap kommer att kräva system som Summit för att säkerställa en stadig marsch från enheter som de som används av ORNL-teamet till storskaliga kvantsystem som är exponentiellt kraftfullare än något annat som är i drift idag.

Tillgång till IBM- och Rigetti-processorerna gavs av Quantum Computing User Program vid Oak Ridge Leadership Computing Facility, som ger tidig tillgång till befintliga, kommersiella kvantberäkningssystem samtidigt som de stödjer utvecklingen av framtida kvantprogrammerare genom utbildnings- och praktikprogram. Stöd för forskningen kom från DOE:s Office of Science Advanced Scientific Computing Research-program.

"Detta projekt hjälper DOE att bättre förstå vad som kommer att fungera och vad som inte kommer att fungera när de går vidare i sitt uppdrag att inse potentialen hos kvantberäkningar för att lösa dagens största vetenskaps- och nationella säkerhetsutmaningar, " sa Pooser.

Nästa, teamet planerar att beräkna de exponentiellt mer komplexa exciterade tillstånden för dessa molekyler, som kommer att hjälpa dem att ta fram nya felreducerande system och föra möjligheten till praktisk kvantberäkning ett steg närmare verkligheten.