ORNL研究人员提高了量子计算机的性能基准

能源部橡树岭国家实验室的研究人员开发了量子化学模拟基准，以评估量子设备的性能并指导未来量子计算机的应用开发。

他们的发现 发表 在 npj Quantum Information上。

量子计算机使用量子力学定律和称为量子位的单位大大提高了可以传输和处理信息的阈值。传统的“位”的值为0或1，而qubit则使用0和1的值或其任意组合进行编码，从而为存储数据提供了多种可能性。

尽管仍处于早期阶段，但量子系统具有比当今领先的经典计算系统强大的潜力，并有望彻底改变材料，化学，高能物理以及整个科学领域的研究。

但是由于这些系统还处于起步阶段，因此了解哪些应用程序非常适合其独特的体系结构被认为是重要的研究领域。

ORNL的Quantum Testbed Pathfinder项目首席研究员Raphael Pooser说：“我们目前正在运行相当简单的科学问题，这些问题代表了我们认为这些系统将在将来帮助我们解决的问题。” “这些基准使我们对未来的量子系统在应对相似的，但指数复杂得多的模拟时将如何运行表现有了一个想法。”

Pooser和他的同事计算了20比特IBM Tokyo和16比特Rigetti Aspen处理器上碱金属氢化物分子的束缚态能。这些分子很简单，能量也很容易理解，因此可以有效地测试量子计算机的性能。

通过根据一些参数对量子计算机进行调节，研究小组以化学精度计算了这些分子的键合态，这是通过经典计算机上的模拟获得的。同样重要的是，量子计算还包括系统化的误差减轻功能，这一事实说明了当前量子硬件的缺点。

当当前量子体系结构固有的“噪声”影响其操作时，就会发生系统错误。由于量子计算机非常精密(例如，ORNL团队使用的量子位保存在约20毫开尔文(或超过-450华氏度)的稀释冰箱中，其周围环境的温度和振动会产生不稳定现象，从而引发不稳定现象例如，此类噪声可能导致量子位旋转21度而不是所需的20度，从而极大地影响了计算结果。

Pooser说：“这个新的基准很好地描述了'混合状态'，或者环境与机器如何相互作用的特征。” “这项工作是迈向衡量量子计算机性能的通用基准的关键一步，就像LINPACK指标用于判断世界上最快的经典计算机一样。”

尽管与领先的经典系统(例如ORNL的Summit)(目前被评为全球最强大的计算机)所能进行的计算相比，其计算相当简单，但量子化学以及核物理和量子场论被认为是一种量子“杀手级应用”。换句话说，人们相信，随着它们的发展，量子计算机将比目前正在运行的任何经典计算机(包括Summit)更好，更准确，更高效地进行广泛的化学相关计算。

ORNL量子化学家Jacek Jakowski说：“当前的基准测试是朝着一套全面的基准测试和度量标准迈出的第一步，这些基准和度量标准用于管理不同科学领域的量子处理器的性能。” “我们希望随着量子计算硬件的改进，它会随着时间而发展。ORNL在领域科学，计算机科学和高性能计算方面的广泛专业知识使其成为创建此基准套件的理想场所。”

十多年来，ORNL已经通过量子计算，网络，传感和量子材料方面的专门研究计划，为诸如量子之类的范式转换平台进行了规划。这些努力旨在加深对近期量子计算资源如何帮助应对当今最艰巨的科学挑战的理解，并支持最近宣布的国家量子计划(National Quantum Initiative)，这是联邦政府为确保美国在量子科学特别是计算领域的领导地位而做出的努力。

这种领导地位将需要诸如Summit之类的系统来确保从ORNL团队所使用的设备到如今比目前运行中的任何事物都强大的指数级性能的指数级功能不断发展。

橡树岭领导力计算设施的量子计算用户程序提供了对IBM和Rigetti处理器的访问，该程序可以早期访问现有的商业量子计算系统，同时通过教育推广和实习计划来支持未来量子程序员的发展。美国能源部科学办公室高级科学计算研究计划为这项研究提供了支持。

Pooser表示：“这个项目有助于DOE更好地了解可行和不可行的方法，因为他们在使命中不断前进，以实现量子计算在解决当今最大的科学和国家安全挑战中的潜力。”

接下来，研究小组计划计算这些分子的指数级更复杂的激发态，这将有助于他们设计出进一步的新颖的错误缓解方案，并使实用的量子计算的可能性更接近现实。