邁向世界上第一臺實用量子計算機的競賽正在如火如荼地進行，世界各地的公司、國家、合作者和競爭對手都在爭奪量子霸主地位。谷歌則表示：它已經在那裡了！但這意味著什麼呢？世界將如何知道何時實現了這一目標？使用經典計算機，PNNL（太平洋西北國家實驗室）的計算科學家已經設定了一個基準，一個量子系統需要超過這個基準才能在化學領域建立量子霸主地位。

這是因為今天可用的最快經典計算機在模擬量子計算機最終將會做什麼方面變得越來越好。為了在現實世界中證明自己，量子計算機需要能夠超越超級計算機的能力，這就是太平洋西北國家實驗室團隊為量子計算機設定了一個可以擊敗的基準。

太平洋西北國家實驗室的計算化學家卡羅爾·科瓦爾斯基說：量子化學問題經典模擬是量子計算機的目標。當量子計算機能夠擊敗目前最好的平行計算系統時，量子計算開發者就會知道他們所處的位置。

這也是激勵創新的基準，基準模擬有113個電子，是有史以來用經典計算機以這種精確水平模擬的最大量子系統。太平洋西北國家實驗室團隊與匈牙利和捷克的合作者合作，通過模擬固氮酶中一種重要化學結構的結構來設定基準。固氮酶是一種將大氣中的氮，轉化為植物可用肥料的酶。這種酶是密集研究的主題，因為它可能是生產足夠的食物，來養活不斷增長的全球人口的關鍵。

縮小量子化學問題的範圍

了解這種酶是如何在消耗很少能源的情況下打破強氮三鍵，可能是設計新催化劑的關鍵，最終提供目前使用需要大量能源投入的化學過程生產的大量肥料。太平洋西北國家實驗室的高效能運算專家、量子計算首席科學家斯里拉姆·克里希納穆爾蒂說：複雜的量子化學正是那種擁有量子計算機就能真正發揮作用的問題，我們正在致力於建立將在量子計算機上執行的程式，當量子計算機到來時，我們將為它們做好準備。

克里希納穆爾蒂、科瓦爾斯基和太平洋西北國家實驗室同事正在與微軟的合作伙伴合作，通過西北量子網路(Northwest Quantum Nexus)來模擬量子計算機的工作方式，並編寫在任何從全球激烈競爭中脫穎而出量子計算機上執行的程式。包括目前最快超級計算機在內的傳統計算機不足以模擬描述具有挑戰性和重要分子系統過程所需的量子系統，而理解化學體系和設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，太平洋西北國家實驗室團隊與微軟專家合作，在當前的數字計算機和未來的計算機之間架起了一座橋樑。該工作流程利用了經典計算機現在做得很好的東西，同時使用量子計算的當前能力來描述與能源生成和能量儲存等工業過程相關的化學變化。關鍵是獲取經典計算機的輸出，並能夠將這些資訊轉換為量子計算機可以解釋的輸入，並且此前已發表了這種量子計算方法。

從那時起，太平洋西北國家實驗室團隊在連線經典計算機和量子計算機方面又邁出了巨大的一步，他們開發了一種計算機演算法，該演算法利用了一種名為“向下摺疊”的數學技巧。從本質上說，向下摺疊使得在目前試驗量子計算機上進行困難和耗時的計算成為可能。這就像是把一個大盒子縮成一個小得多的盒子，在這種情況下，盒子代表了一個巨大的數值空間。

開啟新大門

並在量子計算機中使用了一種更微型的描述，出來的東西準確地代表了更大系統的能量，它也是經典計算和未來幾年量子計算之間的橋樑。這可能看起來像是一個數學魔術，但該方法使用了量子力學的特性和一系列可靠且可重複的嚴謹數學理論。向下摺疊方法不僅為量子計算開闢了途徑，還使分析和驗證美國對美國能源部(DOE)支援的光源，每天產生海量資料新的、更高效和更準確的方法成為可能，這些光源用於研究亞原子細節。

研究已經展示了如何用哈密頓向下摺疊來分析激發電子態的量子行為，這提供了一種用理論來驗證資料解釋的方法。在通往量子計算的道路上，這些臨時步驟是必不可少的，因為它們提供了基本的基準，有助於表明世界距離實現量子霸權有多近。研究將能夠對照這些計算來測試量子計算機的輸出，如果量子計算機能產生接近這些結果的結果，科學家就知道它們是有效的！

參考期刊《化學物理期刊》

DOI: 10.1063/1.5094643