以第一臺(tái)實(shí)用量子計(jì)算機(jī)為目標(biāo)的競(jìng)賽正在全面展開(kāi)。全球各家公司、各國(guó)、合作者和競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手都在激烈爭(zhēng)奪量子霸權(quán)。谷歌說(shuō)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(shí)候?qū)崿F(xiàn)的呢？

利用經(jīng)典計(jì)算機(jī)，PNNL（Pacific Northwest National Laboratory，美國(guó)太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室）的計(jì)算科學(xué)家們已經(jīng)定立了一個(gè)基準(zhǔn)，一個(gè)量子系統(tǒng)需要超越這個(gè)基準(zhǔn)才能叫在化學(xué)領(lǐng)域建立了量子霸權(quán)。

這是因?yàn)楝F(xiàn)在最快的經(jīng)典計(jì)算機(jī)在模擬量子計(jì)算機(jī)最終能做什么方面越來(lái)越好。為了在真實(shí)世界中證明有用，量子計(jì)算機(jī)必須能夠超越傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)的能力，而這，正是PNNL領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)為量子計(jì)算機(jī)設(shè)定的基準(zhǔn)。

PNNL的計(jì)算化學(xué)家卡羅爾·科瓦爾斯基（Karol Kowalski）說(shuō)：“量子化學(xué)問(wèn)題的經(jīng)典模擬是量子計(jì)算機(jī)的一個(gè)目標(biāo)。“當(dāng)一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)能夠超越我們最好的并行計(jì)算系統(tǒng)的計(jì)算性能時(shí)，量子計(jì)算開(kāi)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(gè)激勵(lì)創(chuàng)新的基準(zhǔn)。”

最新的模擬計(jì)算基準(zhǔn)，模擬了113個(gè)電子，是有史以來(lái)用經(jīng)典計(jì)算機(jī)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(guó)的研究者合作，通過(guò)模擬固氮酶中一種重要化學(xué)結(jié)構(gòu)來(lái)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(diǎn)，是因?yàn)樗赡苁巧a(chǎn)足夠糧食以養(yǎng)活不斷增長(zhǎng)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(shí)，打破氮的三鍵，可能是新催化劑設(shè)計(jì)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(wèn)題

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

克里希納莫蒂、科瓦爾斯基和他們的PNNL同事正在通過(guò)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(jì)算機(jī)的工作方式，還有為可能在激烈的全球競(jìng)爭(zhēng)中出現(xiàn)的任何量子計(jì)算機(jī)編寫(xiě)工作程序。

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

在全尺寸量子計(jì)算機(jī)問(wèn)世之前，PNNL團(tuán)隊(duì)與微軟專家合作，在當(dāng)前的數(shù)字計(jì)算機(jī)和下一代計(jì)算機(jī)之間架起一座橋梁。工作流程利用了經(jīng)典計(jì)算機(jī)目前的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)利用目前的量子計(jì)算能力來(lái)描述與工業(yè)過(guò)程（如能源生產(chǎn)和能源儲(chǔ)存）相關(guān)的化學(xué)轉(zhuǎn)化。

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

從那時(shí)起，PNNL團(tuán)隊(duì)在連接經(jīng)典計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)方面又邁出了一大步。他們開(kāi)發(fā)了一種計(jì)算機(jī)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(yàn)臺(tái)量子計(jì)算機(jī)上進(jìn)行困難和耗時(shí)的計(jì)算成為可能。

科瓦爾斯基說(shuō)：“這就像把一個(gè)大盒子縮小成一個(gè)小得多的盒子。”“在這種情況下，方框代表一個(gè)巨大的數(shù)值空間。我們?cè)诹孔佑?jì)算機(jī)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(jì)算和未來(lái)幾年量子計(jì)算之間的橋梁。”

這似乎是一個(gè)數(shù)學(xué)竅門，但科瓦爾斯基補(bǔ)充說(shuō)，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(kāi)新的大門

這種向下折疊的方法不僅為量子計(jì)算開(kāi)辟了新的途徑，而且讓使用更有效和更精確的方法來(lái)分析和驗(yàn)證美國(guó)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(lái)源于美國(guó)能源部支持的光源，研究精度在亞原子級(jí)別。

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

這些通往量子計(jì)算之路的過(guò)渡步驟至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈兲峁┝酥匾幕鶞?zhǔn)，有助于展示世界與實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)的距離有多近。

“我們將能夠根據(jù)這些計(jì)算來(lái)測(cè)試量子計(jì)算機(jī)的輸出”，克里希納莫蒂說(shuō)道，“如果量子計(jì)算機(jī)能產(chǎn)生接近這些結(jié)果的結(jié)果，我們就會(huì)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(guó)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(xiàng)研究的一部分是由PNNL的類星體計(jì)劃（Quantum Algorithms， Software， and Architectures （QUASAR） Initiative）資助的。一些計(jì)算是在環(huán)境分子科學(xué)實(shí)驗(yàn)室（the Environmental Molecular Sciences Laboratory，EMSL）進(jìn)行的，該實(shí)驗(yàn)室是由美國(guó)能源部資助的國(guó)家用戶設(shè)施，位于PNNL。