处理基本科学问题的量子计算机

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50多年来，摩尔定律一直占据着至高无上的地位。据观察，计算机芯片上的晶体管数量每两年翻一番，这使得我们的现代数字革命成为可能——智能手机、个人电脑和当前的超级计算机。但摩尔定律正在放缓。即使没有，科学家需要解决的一些重大问题也可能超出了传统计算机的范围。
在过去的几年里，劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的研究人员一直在探索一种基于量子力学的完全不同的计算架构，以解决科学中一些最困难的问题。在实验室指导研发(LDRD)的支持下，他们开发了量子化学和优化算法，以及原型超导量子处理器。最近，他们通过在包含两个超导传输量子比特的量子处理器上使用这些算法证明了他们工作的可行性，从而成功地解决了计算氢分子完整能谱的化学问题。
现在，由伯克利实验室领导的两个研究小组将获得能源部的资金来巩固这一势头。一个团队将在三年内获得150万美元，用于开发新的算法、编译技术和调度工具，以便最近的量子计算平台可以用于化学科学中的科学发现。另一个团队将与这些研究人员密切合作，设计原型4位和8位处理器来计算这些新算法。该项目将持续五年，研究人员在工作的第一年将获得150万美元。第五年，硬件团队希望展示一款控制功能齐全的64位处理器。
“总有一天，通用量子计算机将能够解决从分子设计到机器学习和网络安全的各种问题，但我们还有很长的路要走。因此，我们现在需要问的问题是，我们能否通过更专业的量子计算机解决具体问题，”伯克利实验室科学家、加州大学伯克利分校量子相干科学中心创始主任伊尔凡西迪基(IrfanSiddiqi)说。
据Siddiqi介绍，如今的量子相干计算技术确实具备必要的相干时间、逻辑运算保真度和电路拓扑，可以用于分子与材料科学、数值优化和高能物理等领域基础研究的特殊计算。鉴于这些进展，他指出，能源部应探索如何将这些技术融入高性能计算社区。在这些新项目中，伯克利实验室团队将与工业界和学术界的合作伙伴一起解决DOE任务科学中的难题，例如计算分子系统动力学和量子机器学习。
“我们正处于量子计算的早期阶段，这有点像我们20世纪40年代的传统计算。我们有一些硬件，现在我们需要开发一套强大的软件、算法和工具，以便最好地利用它来解决真正困难的科学问题， ”实验室计算研究部(CRD)伯克利计算化学、材料和气候小组负责人伯特德容说。
他将领导DOE量子算法团队，该团队由来自伯克利实验室、哈佛大学、阿贡国家实验室和加州大学伯克利分校的研究人员组成，专注于“量子算法，数学和化学科学的编译工具” 。
伯克利实验计算科学副主任乔纳森卡特(JonathanCarter)表示：“伯克利实验室的团队科学传统，以及它靠近加州大学伯克利分校和硅谷，使其成为端到端量子计算的理想场所。“我们实验室里有研究量子力学基础科学的物理学家和化学家，有设计和制造量子处理器的工程师，还有计算机科学家和数学家，确保硬件能够有效计算DOE科学。”
劳伦斯利弗莫尔国家实验室的卡特、西迪基和乔纳森杜布瓦将领导能源部的高级量子模拟实验(AQuES)实验项目。
量子相干的挑战。
“量子相干性”是构建量子计算机的关键，可以解决传统计算机无法解决的科学问题。这种现象本质上允许量子系统比传统计算机每比特存储更多的信息。
在传统计算机中，处理器中的电路包括数十亿个晶体管——由电子信号激活的微小开关。数字1和0以二进制形式用来反映晶体管的开和关状态。这基本上就是信息的存储和处理方式。当程序员编写计算机代码时，翻译器将其转换为处理器可以执行的二进制指令-1和0 。
与传统比特不同，量子比特可以有一些反直觉的量子力学性质，比如纠缠和叠加。当粒子对或粒子群的相互作用方式使得每个粒子的状态无法单独描述时，就会发生量子纠缠。相反，必须描述整个系统的状态。换句话说，纠缠粒子作为一个单位。当两个量子态结合，粒子同时存在时，就会发生小的超位。
因此，传统的计算机位将信息编码为0或1，而量子位可以是0 ， 1或状态的叠加(0和1) 。例如，量子位以多种状态存在的能力意味着它们可以比传统计算机更快地计算材料和化学性质。如果这些量子比特可以在量子计算机中链接或纠缠在一起，传统计算机无法解决的问题就可以得到解决。
但是，如果它们能够利用量子力学的特性，然后在这种状态下充分利用它们，使量子比特达到量子相干态仍然是一个挑战。
“量子计算就像下棋，棋子和棋盘都是冰做的。当玩家在玩家周围徘徊时，组件正在融化，你做得越多。
多，游戏融化的速度就越快，“卡特说。“Qubits在很短的时间内失去了连贯性，所以由我们来决定我们可以做出的最有用的一系列动作。”
卡特指出，伯克利实验室与开发量子算法，编译技术和调度工具的研究人员密切合作共同设计量子处理器的方法对于回答这个问题非常有用。
“计算方法在伯克利实验室的大多数科学项目中都很常见。随着摩尔定律的逐渐放缓，新的计算架构，系统和技术已成为伯克利实验室的一项优先举措，“伯克利实验室副主任霍斯特西蒙说。“我们很早就认识到量子模拟如何为科学中一些最具挑战性的计算问题提供有效的方法，我很高兴看到通过第一次直接资助来认可我们的LDRD计划。量子信息科学将成为我们跨越多个学科的研究企业中越来越重要的元素。“
由于该领域仍处于早期阶段，因此构建量子计算机的方法有很多种。伯克利实验室领导的团队将研究超导量子计算机。
【处理基本科学问题的量子计算机】为了设计和制造下一代量子处理器， AQuES团队将利用加州大学伯克利分校量子纳米电子学实验室的超导电路设施，同时结合伯克利实验室加速器技术和应用物理，材料科学和工程部门的研究人员的专业知识。研究团队还将利用两个DOE设施的独特能力; 分子铸造和国家能源研究科学计算中心(NERSC) ，均位于伯克利实验室。