以第一臺實用量子計算機為目標(biāo)的競賽正在全面展開。全球各家公司、各國、合作者和競爭對手都在激烈爭奪量子霸權(quán)。谷歌說量子霸權(quán)已經(jīng)出現(xiàn)了。量子霸權(quán)是什么意思？是怎么知道量子霸權(quán)是什么時候?qū)崿F(xiàn)的呢？

利用經(jīng)典計算機，PNNL（Pacific Northwest National Laboratory，美國太平洋西北國家實驗室）的計算科學(xué)家們已經(jīng)定立了一個基準(zhǔn)，一個量子系統(tǒng)需要超越這個基準(zhǔn)才能叫在化學(xué)領(lǐng)域建立了量子霸權(quán)。

這是因為現(xiàn)在最快的經(jīng)典計算機在模擬量子計算機最終能做什么方面越來越好。為了在真實世界中證明有用，量子計算機必須能夠超越傳統(tǒng)超級計算機的能力，而這，正是PNNL領(lǐng)導(dǎo)的團隊為量子計算機設(shè)定的基準(zhǔn)。

PNNL的計算化學(xué)家卡羅爾·科瓦爾斯基（Karol Kowalski）說：“量子化學(xué)問題的經(jīng)典模擬是量子計算機的一個目標(biāo)。“當(dāng)一臺量子計算機能夠超越我們最好的并行計算系統(tǒng)的計算性能時，量子計算開發(fā)人員就能知道他們下一步需要努力做什么研究。這是一個激勵創(chuàng)新的基準(zhǔn)。”

最新的模擬計算基準(zhǔn)，模擬了113個電子，是有史以來用經(jīng)典計算機在此精度上模擬的最大量子系統(tǒng)。PNNL小組與匈牙利和捷克共和國的研究者合作，通過模擬固氮酶中一種重要化學(xué)結(jié)構(gòu)來設(shè)定基準(zhǔn)，固氮酶是一種將大氣中的氮轉(zhuǎn)化為可供植物使用的肥料的酶。這種酶之所以成為研究的熱點，是因為它可能是生產(chǎn)足夠糧食以養(yǎng)活不斷增長的全球人口的關(guān)鍵。

了解這種酶如何能夠在消耗很少能量的同時，打破氮的三鍵，可能是新催化劑設(shè)計的關(guān)鍵，最終降低肥料的生產(chǎn)成本，提供充足的肥料，目前肥料生產(chǎn)需要很多化學(xué)工藝，需要大量能量投入。

縮小量子化學(xué)問題

PNNL的高性能計算專家和量子計算首席科學(xué)家斯利拉姆·克里希納莫蒂（Sriram Krishnamoorthy）說：“擁有一臺可用的量子計算機可能真的會給復(fù)雜的量子化學(xué)領(lǐng)域帶來變化。”“我們正在研發(fā)將在量子計算機上運行的程序。““當(dāng)量子計算機到來時，我們將做好準(zhǔn)備”，克里希納莫蒂說。

克里希納莫蒂、科瓦爾斯基和他們的PNNL同事正在通過Northwest Quantum Nexus（西北量子網(wǎng)絡(luò)）與微軟的研究人員合作，既包括模擬量子計算機的工作方式，還有為可能在激烈的全球競爭中出現(xiàn)的任何量子計算機編寫工作程序。

科瓦爾斯基說：“分析具有挑戰(zhàn)性的、重要的分子系統(tǒng)需要量子計算機，傳統(tǒng)的計算機，包括當(dāng)今最快的超級計算機，都不足以模擬這種量子計算機。”“理解化學(xué)體系和設(shè)計新材料需要更好的計算工具。”

在全尺寸量子計算機問世之前，PNNL團隊與微軟專家合作，在當(dāng)前的數(shù)字計算機和下一代計算機之間架起一座橋梁。工作流程利用了經(jīng)典計算機目前的優(yōu)勢，同時利用目前的量子計算能力來描述與工業(yè)過程（如能源生產(chǎn)和能源儲存）相關(guān)的化學(xué)轉(zhuǎn)化。

研究小組認為，關(guān)鍵是要獲取一臺經(jīng)典計算機的輸出，并能將這些信息轉(zhuǎn)換成一個可以被量子計算機解釋的輸入。研究人員在2019年年中發(fā)表了這一量子計算方法。

從那時起，PNNL團隊在連接經(jīng)典計算機和量子計算機方面又邁出了一大步。他們開發(fā)了一種計算機算法，利用了一種叫做“向下折疊”（downfolding）的數(shù)學(xué)技巧。本質(zhì)上，向下折疊使得在目前的試驗臺量子計算機上進行困難和耗時的計算成為可能。

科瓦爾斯基說：“這就像把一個大盒子縮小成一個小得多的盒子。”“在這種情況下，方框代表一個巨大的數(shù)值空間。我們在量子計算機中使用更緊湊的描述，所得到的結(jié)果準(zhǔn)確地表示了更大系統(tǒng)的能量。它是經(jīng)典計算和未來幾年量子計算之間的橋梁。”

這似乎是一個數(shù)學(xué)竅門，但科瓦爾斯基補充說，該方法使用量子力學(xué)的性質(zhì)和一系列嚴(yán)格的數(shù)學(xué)理論，是可靠和可復(fù)現(xiàn)的。

打開新的大門

這種向下折疊的方法不僅為量子計算開辟了新的途徑，而且讓使用更有效和更精確的方法來分析和驗證美國能源部（DOE）每天產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)成為可能，這些數(shù)據(jù)來源于美國能源部支持的光源，研究精度在亞原子級別。

科瓦爾斯基說：“我們已經(jīng)展示了如何用哈密頓下折（Hamiltonian downfolding）來分析激發(fā)態(tài)電子的量子行為。”“這提供了一種用理論來驗證解釋數(shù)據(jù)的方法。”

這些通往量子計算之路的過渡步驟至關(guān)重要，因為它們提供了重要的基準(zhǔn)，有助于展示世界與實現(xiàn)量子霸權(quán)的距離有多近。

“我們將能夠根據(jù)這些計算來測試量子計算機的輸出”，克里希納莫蒂說道，“如果量子計算機能產(chǎn)生接近這些結(jié)果的結(jié)果，我們就會知道它們是有效的。”

這篇專題文章中描述的工作得到了美國能源部、科學(xué)辦公室（Office of Science）、基礎(chǔ)能源科學(xué)辦公室（Office of Basic Energy Sciences）、化學(xué)科學(xué)、地球科學(xué)和生物科學(xué)司（the Chemical Sciences， Geosciences， and Biosciences Division）的支持。這項研究的一部分是由PNNL的類星體計劃（Quantum Algorithms， Software， and Architectures （QUASAR） Initiative）資助的。一些計算是在環(huán)境分子科學(xué)實驗室（the Environmental Molecular Sciences Laboratory，EMSL）進行的，該實驗室是由美國能源部資助的國家用戶設(shè)施，位于PNNL。