Onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy hebben een benchmark voor kwantumchemie-simulatie ontwikkeld om de prestaties van kwantumapparaten te evalueren en de ontwikkeling van toepassingen voor toekomstige kwantumcomputers te begeleiden.

Hun bevindingen werden gepubliceerd in npj Quantum-informatie .

Kwantumcomputers gebruiken de wetten van de kwantummechanica en eenheden die qubits worden genoemd om de drempel waarop informatie kan worden verzonden en verwerkt, aanzienlijk te verhogen. Terwijl traditionele "bits" een waarde van 0 of 1 hebben, qubits zijn gecodeerd met waarden van zowel 0 als 1, of een combinatie daarvan, waardoor een groot aantal mogelijkheden voor het opslaan van gegevens.

Hoewel ze nog in een vroeg stadium zijn, kwantumsystemen hebben het potentieel om exponentieel krachtiger te zijn dan de huidige toonaangevende klassieke computersystemen en beloven een revolutie teweeg te brengen in het onderzoek naar materialen, scheikunde, hoge-energiefysica, en over het wetenschappelijke spectrum.

Maar omdat deze systemen nog in hun relatieve kinderschoenen staan, begrijpen welke toepassingen goed passen bij hun unieke architecturen, wordt als een belangrijk onderzoeksgebied beschouwd.

"We hebben momenteel vrij eenvoudige wetenschappelijke problemen die het soort problemen vertegenwoordigen waarvan we denken dat deze systemen ons in de toekomst zullen helpen oplossen, " zei ORNL's Raphael Pooser, hoofdonderzoeker van het Quantum Testbed Pathfinder-project. "Deze benchmarks geven ons een idee van hoe toekomstige kwantumsystemen zullen presteren bij het aanpakken van vergelijkbare, hoewel exponentieel complexer, simulaties."

Pooser en zijn collega's berekenden de gebonden toestandsenergie van alkalihydridemoleculen op 20-qubit IBM Tokyo en 16-qubit Rigetti Aspen-processors. Deze moleculen zijn eenvoudig en hun energieën goed begrepen, waardoor ze de prestaties van de kwantumcomputer effectief kunnen testen.

Door de kwantumcomputer af te stemmen op een aantal parameters, het team berekende de gebonden toestanden van deze moleculen met chemische nauwkeurigheid, die werd verkregen met behulp van simulaties op een klassieke computer. Even belangrijk is het feit dat de kwantumberekeningen ook systematische foutbeperking omvatten, de tekortkomingen in de huidige kwantumhardware aan het licht brengen.

Systematische fout treedt op wanneer de "ruis" die inherent is aan de huidige kwantumarchitecturen hun werking beïnvloedt. Omdat kwantumcomputers uiterst delicaat zijn (bijvoorbeeld de qubits die door het ORNL-team worden gebruikt, worden bewaard in een verdunningskoelkast van ongeveer 20 millikelvin (of meer dan -450 graden Fahrenheit), temperaturen en trillingen van hun omgeving kunnen instabiliteiten veroorzaken die hun nauwkeurigheid afwerpen. Bijvoorbeeld, dergelijke ruis kan ervoor zorgen dat een qubit 21 graden draait in plaats van de gewenste 20, grote invloed op de uitkomst van een berekening.

"Deze nieuwe maatstaf kenmerkt de 'gemengde staat, ' of hoe de omgeving en de machine op elkaar inwerken, erg goed, "Pooser zei. "Dit werk is een cruciale stap in de richting van een universele maatstaf om de prestaties van kwantumcomputers te meten, net zoals de LINPACK-metriek wordt gebruikt om de snelste klassieke computers ter wereld te beoordelen."

Hoewel de berekeningen vrij eenvoudig waren in vergelijking met wat mogelijk is op toonaangevende klassieke systemen zoals ORNL's Summit, momenteel gerangschikt als 's werelds krachtigste computer, kwantumchemie, samen met kernfysica en kwantumveldentheorie, wordt beschouwd als een kwantum "killer app." Met andere woorden, er wordt aangenomen dat naarmate kwantumcomputers evolueren, ze in staat zullen zijn om een ​​groot aantal chemiegerelateerde berekeningen nauwkeuriger en efficiënter uit te voeren dan welke klassieke computer dan ook die momenteel in gebruik is, inclusief Top.

"De huidige benchmark is een eerste stap naar een uitgebreide reeks benchmarks en statistieken die de prestaties van kwantumprocessors voor verschillende wetenschapsdomeinen bepalen, " zei ORNL-kwantumchemicus Jacek Jakowski. "We verwachten dat het met de tijd zal evolueren naarmate de kwantumcomputerhardware verbetert. ORNL's uitgebreide expertise in domeinwetenschappen, computerwetenschap en high-performance computing maken het de perfecte locatie voor het creëren van deze benchmarksuite."

ORNL plant al meer dan tien jaar paradigmaverschuivende platforms zoals kwantum via speciale onderzoeksprogramma's in kwantumcomputing, netwerken, detectie en kwantummaterialen. Deze inspanningen zijn bedoeld om het begrip te versnellen van hoe quantum computing-bronnen op korte termijn kunnen helpen bij het aanpakken van de meest ontmoedigende wetenschappelijke uitdagingen van vandaag en ter ondersteuning van het onlangs aangekondigde National Quantum Initiative, een federale inspanning om Amerikaans leiderschap in kwantumwetenschappen te verzekeren, met name informatica.

Dergelijk leiderschap vereist systemen zoals Summit om de gestage opmars te verzekeren van apparaten zoals die worden gebruikt door het ORNL-team naar grootschalige kwantumsystemen die exponentieel krachtiger zijn dan alles wat vandaag in bedrijf is.

Toegang tot de IBM- en Rigetti-processors werd geleverd door het Quantum Computing User Program van de Oak Ridge Leadership Computing Facility, die vroege toegang biedt tot bestaande, commerciële kwantumcomputersystemen, terwijl de ontwikkeling van toekomstige kwantumprogrammeurs wordt ondersteund door middel van educatieve outreach- en stageprogramma's. Ondersteuning voor het onderzoek kwam van DOE's Office of Science Advanced Scientific Computing Research-programma.

"Dit project helpt DOE beter te begrijpen wat zal werken en wat niet zal werken, terwijl ze doorgaan met hun missie om het potentieel van kwantumcomputing te realiseren bij het oplossen van de grootste wetenschappelijke en nationale veiligheidsuitdagingen van vandaag, ' zei Poezer.

Volgende, het team is van plan om de exponentieel complexere aangeslagen toestanden van deze moleculen te berekenen, wat hen zal helpen nieuwe nieuwe foutbeperkingsschema's te bedenken en de mogelijkheid van praktische kwantumcomputers een stap dichter bij de realiteit te brengen.