De race naar de eerste praktische kwantumcomputer is in volle gang. Bedrijven, landen, medewerkers, en concurrenten over de hele wereld strijden om de suprematie van kwantum. Google zegt dat het er al is. Maar wat betekent dat? Hoe zal de wereld weten wanneer het is bereikt?

Met behulp van klassieke computers, computationele wetenschappers bij PNNL hebben een punt gezet dat een kwantumsysteem zou moeten overtreffen om kwantumsuprematie op het gebied van chemie te vestigen.

Dat komt omdat de snelste klassieke computers die tegenwoordig beschikbaar zijn, steeds beter worden in het simuleren van wat een kwantumcomputer uiteindelijk zal moeten doen. Om zichzelf te bewijzen in de echte wereld, een kwantumcomputer zal moeten kunnen overtreffen wat een snelle supercomputer kan. En dat is waar het door PNNL geleide team een ​​benchmark heeft neergezet voor kwantumcomputers om te verslaan.

"Klassieke simulatie van kwantumchemische problemen dient als een doelpost voor kwantumcomputers, " zei Karol Kowalski, een computerchemicus bij PNNL. "Als een kwantumcomputer kan verslaan wat onze beste parallelle computersystemen kunnen, ontwikkelaars van kwantumcomputing weten dat ze zijn waar ze moeten zijn. Dit is een maatstaf om innovatie te inspireren."

Bij 113 elektronen, de recente benchmarksimulatie is het grootste kwantumsysteem dat ooit met dit nauwkeurige nauwkeurigheidsniveau is gesimuleerd met een klassieke computer. Werken met medewerkers in Hongarije en Tsjechië, het PNNL-team zette de maatstaf door de structuur van een belangrijke chemische structuur in stikstofase te simuleren, een enzym dat stikstof in de atmosfeer omzet in bruikbare mest voor planten. Het enzym is het onderwerp van intensief onderzoek omdat het de sleutel kan zijn tot het produceren van voldoende voedsel om een ​​steeds groter wordende wereldbevolking te voeden.

Begrijpen hoe dit enzym de sterke drievoudige stikstofbinding kan verbreken, terwijl het heel weinig energie kost, zou de sleutel kunnen zijn tot een nieuw katalysatorontwerp, uiteindelijk zorgen voor overvloedige kunstmest die momenteel wordt geproduceerd met behulp van een chemisch proces dat grote energie-inputs vereist.

Het kwantumchemieprobleem verkleinen

"Complexe kwantumchemie is precies het soort probleem waarbij het hebben van een kwantumcomputer echt een verschil kan maken, " zei Sriram Krishnamoorthy, een high-performance computing-expert en quantum computing-hoofdwetenschapper bij PNNL. "We werken aan het maken van de programma's die op kwantumcomputers zullen draaien.

"Als kwantumcomputers arriveren, wij staan ​​voor ze klaar, ' zei Krishnamoorthy.

Krishnamoorthy, Kowalski, en hun PNNL-collega's werken samen met partners bij Microsoft, door de Noordwest Quantum Nexus, om zowel te simuleren hoe een kwantumcomputer zal werken als programma's te schrijven die zullen werken op elke kwantumcomputer die voortkomt uit de intense wereldwijde concurrentie.

"Conventionele computers, inclusief de snelste supercomputers van vandaag, zijn ontoereikend voor het simuleren van kwantumsystemen die nodig zijn om uitdagende en belangrijke moleculaire systemen en processen te beschrijven, " zei Kowalski. "Er zijn betere rekenhulpmiddelen nodig om chemische systemen te begrijpen en nieuwe materialen te ontwerpen."

Totdat er een volledige kwantumcomputer beschikbaar is, het PNNL-team werkte samen met Microsoft-experts om een ​​brug te slaan tussen de huidige digitale computers en wat daarna komt. De workflow maakt gebruik van wat klassieke computers nu goed doen, terwijl we de huidige mogelijkheden van kwantumcomputing gebruiken om chemische transformaties te beschrijven die relevant zijn voor industriële processen zoals energieopwekking en energieopslag.

De sleutel, volgens het onderzoeksteam was om de uitvoer van een klassieke computer te nemen en die informatie om te zetten in een invoer die kan worden geïnterpreteerd door een kwantumcomputer. Medio 2019 publiceerden de onderzoekers die quantumcomputingmethode.

Vanaf dat moment, het PNNL-team heeft weer een grote stap gezet in het overbruggen van klassieke en kwantumcomputers. Ze ontwikkelden een computeralgoritme dat gebruikmaakt van een wiskundige truc die 'downfolding' wordt genoemd. Eigenlijk, downfolding maakt moeilijke en tijdrovende berekeningen mogelijk op de huidige testbed-quantumcomputers.

"Dit is als het verkleinen van een grote doos tot een veel kleinere doos, zei Kowalski. In dit geval, het vak vertegenwoordigt een enorme numerieke ruimte. We gebruiken een compactere beschrijving in een kwantumcomputer, en wat eruit komt vertegenwoordigt nauwkeurig de energie van het veel grotere systeem. Het is een brug tussen klassieke computing en wat de komende jaren quantum computing zal zijn."

Het lijkt misschien een wiskundige goocheltruc, maar Kowalski voegt eraan toe dat de methode gebruikmaakt van eigenschappen van de kwantummechanica en een reeks rigoureuze wiskundige theorieën die betrouwbaar en reproduceerbaar zijn.

Nieuwe deuren openen

De downfolding-methode opent niet alleen wegen voor quantum computing, het maakt ook nieuwe, veel efficiëntere en nauwkeurigere manieren voor het analyseren en valideren van de hoeveelheden gegevens die elke dag worden gegenereerd door de Amerikaanse investering in door het Amerikaanse Department of Energy (DOE) ondersteunde lichtbronnen die worden gebruikt om onze wereld in subatomaire details te bestuderen.

"We hebben laten zien hoe het kwantumgedrag van aangeslagen elektronische toestanden kan worden geanalyseerd met Hamiltoniaanse downfolding, "zei Kowalski. "Dit biedt een manier om theorie te gebruiken om gegevensinterpretatie te valideren."

Deze tussenstappen op het pad naar quantum computing zijn essentieel omdat ze essentiële benchmarks bieden die helpen aantonen hoe dicht de wereld bij het bereiken van quantum suprematie is.

"We zullen de output van kwantumcomputers kunnen testen aan de hand van deze berekeningen, " zei Krishnamoorthy. "Als kwantumcomputers resultaten kunnen produceren die dicht bij deze resultaten liggen, we zullen weten dat ze werken."