Kapplöpet mot den första praktiska kvantdatorn är i full gång. Företag, länder, kollaboratörer, och konkurrenter över hela världen tävlar om kvantöverhöghet. Google säger att det redan finns där. Men vad betyder det? Hur kommer världen att veta när det har uppnåtts?

Använda klassiska datorer, Beräkningsforskare vid PNNL har satt en markering som ett kvantsystem skulle behöva överträffa för att etablera kvantöverlägsenhet inom kemins område.

Det beror på att de snabbaste klassiska datorerna som finns tillgängliga idag blir bättre och bättre på att simulera vad en kvantdator så småningom förväntas göra. För att bevisa sig själv i den verkliga världen, en kvantdator kommer att behöva kunna överträffa vad en snabb superdator kan göra. Och det är där det PNNL-ledda teamet har satt ett riktmärke för kvantdatorer att slå.

"Klassisk simulering av kvantkemiproblem fungerar som en målstolpe för kvantdatorer, sa Karol Kowalski, en beräkningskemist vid PNNL. "När en kvantdator kan slå vad våra bästa parallella datorsystem kan göra, kvantdatorutvecklare vet att de är där de behöver vara. Detta är ett riktmärke för att inspirera till innovation."

Vid 113 elektroner, den senaste benchmark-simuleringen är det största kvantsystemet som någonsin simulerats på denna exakta nivå av noggrannhet med en klassisk dator. Arbeta med medarbetare i Ungern och Tjeckien, PNNL-teamet satte riktmärket genom att simulera strukturen för en viktig kemisk struktur i nitrogenas, ett enzym som omvandlar kväve i atmosfären till användbar gödsel för växter. Enzymet är föremål för intensiva studier eftersom det kan vara nyckeln till att producera tillräckligt med mat för att föda en ständigt växande global befolkning.

Att förstå hur detta enzym kan bryta den starka trippelbindningen, samtidigt som de förbrukar väldigt lite energi, kan vara nyckeln till ny katalysatordesign, så småningom tillhandahåller rikligt med gödselmedel som för närvarande produceras med hjälp av en kemisk process som kräver stora energiinsatser.

Att krympa kvantkemiproblemet

"Komplex kvantkemi är exakt den typ av problem där att ha en kvantdator tillgänglig verkligen kan göra skillnad, " sa Sriram Krishnamoorthy, en högpresterande datorexpert och kvantberäkningsledare vid PNNL. "Vi jobbar på att skapa programmen som ska köras på kvantdatorer.

"När kvantdatorer kommer, vi kommer att vara redo för dem, sa Krishnamoorthy.

Krishnamoorthy, Kowalski, och deras PNNL-kollegor samarbetar med partners på Microsoft, genom Northwest Quantum Nexus, att både simulera hur en kvantdator kommer att fungera och skriva program som kommer att fungera på vilken kvantdator som helst som kommer ur den intensiva globala konkurrensen.

"Konventionella datorer, inklusive dagens snabbaste superdatorer, är otillräckliga för att simulera kvantsystem som krävs för att beskriva utmanande och viktiga molekylära system och processer, ", sa Kowalski. "Bättre beräkningsverktyg behövs för att förstå kemiska system och designa nya material."

Tills en fullskalig kvantdator är tillgänglig, PNNL-teamet arbetade med Microsofts experter för att utveckla en brygga mellan nuvarande digitala datorer och vad som kommer härnäst. Arbetsflödet drar fördel av vad klassiska datorer gör bra nu, samtidigt som kvantdatorns nuvarande kapacitet används för att beskriva kemiska omvandlingar som är relevanta för industriella processer som energigenerering och energilagring.

Nyckeln, enligt forskargruppen, var att ta utdata från en klassisk dator och kunna omvandla den informationen till en ingång som kan tolkas av en kvantdator. Forskarna publicerade den kvantberäkningsmetoden i mitten av 2019.

Sedan dess, PNNL-teamet har tagit ytterligare ett stort steg i att överbrygga klassiska och kvantdatorer. De utvecklade en datoralgoritm som drar fördel av ett matematiskt trick som kallas "nedfällning". Väsentligen, nedfällning gör svåra och tidskrävande beräkningar möjliga på nuvarande testbädds kvantdatorer.

"Det här är som att krympa en stor låda till en mycket mindre låda, " sade Kowalski. "I det här fallet, rutan representerar ett enormt numeriskt utrymme. Vi använder en mer kompakt beskrivning i en kvantdator, och det som kommer ut representerar exakt energin i det mycket större systemet. Det är en brygga mellan klassisk datoranvändning och vad som kommer att bli kvantberäkning under de kommande åren."

Det kan verka som ett matematiskt magiskt trick, men Kowalski tillägger att metoden använder egenskaperna hos kvantmekaniken och en serie rigorösa matematiska teorier som är tillförlitliga och reproducerbara.

Öppnar nya dörrar

Nedfällningsmetoden öppnar inte bara vägar för kvantberäkning, det möjliggör också nya, mycket mer effektiva och exakta sätt att analysera och validera mängden data som genereras varje dag från den amerikanska investeringen i U.S. Department of Energy (DOE)-stödda ljuskällor som används för att studera vår värld i subatomära detaljer.

"Vi har visat hur kvantbeteendet hos exciterade elektroniska tillstånd kan analyseras med Hamiltonian nedfällning, ", sa Kowalski. "Detta ger ett sätt att använda teori för att validera datatolkning."

Dessa interimistiska steg på vägen till kvantberäkning är viktiga eftersom de tillhandahåller viktiga riktmärken som hjälper till att visa hur nära världen är att uppnå kvantöverhöghet.

"Vi kommer att kunna testa utdata från kvantdatorer mot dessa beräkningar, " sa Krishnamoorthy. "Om kvantdatorer kan ge resultat nära dessa resultat, vi vet att de fungerar."