I ricercatori dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia hanno sviluppato un benchmark di simulazione della chimica quantistica per valutare le prestazioni dei dispositivi quantistici e guidare lo sviluppo di applicazioni per i futuri computer quantistici.

I loro risultati sono stati pubblicati in npj Informazioni quantistiche .

I computer quantistici utilizzano le leggi della meccanica quantistica e le unità note come qubit per aumentare notevolmente la soglia alla quale le informazioni possono essere trasmesse ed elaborate. Mentre i "bit" tradizionali hanno un valore di 0 o 1, i qubit sono codificati con valori di 0 e 1, o una loro combinazione, consentendo un vasto numero di possibilità per la memorizzazione dei dati.

Mentre ancora nelle loro fasi iniziali, i sistemi quantistici hanno il potenziale per essere esponenzialmente più potenti dei principali sistemi informatici classici di oggi e promettono di rivoluzionare la ricerca sui materiali, chimica, fisica delle alte energie, e attraverso lo spettro scientifico.

Ma poiché questi sistemi sono nella loro relativa infanzia, capire quali applicazioni si adattano bene alle loro architetture uniche è considerato un importante campo di ricerca.

"Attualmente stiamo eseguendo problemi scientifici abbastanza semplici che rappresentano il tipo di problemi che crediamo che questi sistemi ci aiuteranno a risolvere in futuro, " ha detto Raphael Pooser di ORNL, ricercatore principale del progetto Quantum Testbed Pathfinder. "Questi benchmark ci danno un'idea di come si esibiranno i futuri sistemi quantistici quando affronteranno situazioni simili, anche se esponenzialmente più complesso, simulazioni."

Pooser e i suoi colleghi hanno calcolato l'energia dello stato legato delle molecole di idruro alcalino su processori IBM Tokyo da 20 qubit e Rigetti Aspen da 16 qubit. Queste molecole sono semplici e le loro energie ben comprese, consentendo loro di testare efficacemente le prestazioni del computer quantistico.

Sintonizzando il computer quantistico in funzione di pochi parametri, il team ha calcolato gli stati legati di queste molecole con precisione chimica, che è stato ottenuto utilizzando simulazioni su un computer classico. Di uguale importanza è il fatto che i calcoli quantistici includevano anche la mitigazione sistematica degli errori, illuminando le carenze dell'attuale hardware quantistico.

L'errore sistematico si verifica quando il "rumore" inerente alle attuali architetture quantistiche influisce sul loro funzionamento. Poiché i computer quantistici sono estremamente delicati (ad esempio, i qubit utilizzati dal team ORNL sono conservati in un frigorifero a diluizione a circa 20 millikelvin (o più di -450 gradi Fahrenheit), le temperature e le vibrazioni dell'ambiente circostante possono creare instabilità che ne pregiudicano la precisione. Ad esempio, tale rumore può far ruotare un qubit di 21 gradi invece dei 20 desiderati, influenzare notevolmente il risultato di un calcolo.

"Questo nuovo punto di riferimento caratterizza lo 'stato misto, ' o come l'ambiente e la macchina interagiscono, ottimo, " Pooser ha detto. "Questo lavoro è un passo fondamentale verso un punto di riferimento universale per misurare le prestazioni dei computer quantistici, proprio come la metrica LINPACK viene utilizzata per giudicare i computer classici più veloci al mondo."

Mentre i calcoli erano abbastanza semplici rispetto a ciò che è possibile sui principali sistemi classici come il Summit di ORNL, attualmente classificato come il computer più potente del mondo, chimica quantistica, insieme alla fisica nucleare e alla teoria quantistica dei campi, è considerata una "killer app" quantistica. In altre parole, si ritiene che, man mano che si evolvono, i computer quantistici saranno in grado di eseguire in modo più accurato ed efficiente un'ampia gamma di calcoli relativi alla chimica meglio di qualsiasi computer classico attualmente in funzione, compreso vertice.

"L'attuale benchmark è un primo passo verso una suite completa di benchmark e metriche che regolano le prestazioni dei processori quantistici per diversi domini scientifici, " ha detto il chimico quantistico dell'ORNL Jacek Jakowski. "Ci aspettiamo che si evolva con il tempo man mano che l'hardware di calcolo quantistico migliora. La vasta esperienza di ORNL nelle scienze del dominio, l'informatica e il calcolo ad alte prestazioni lo rendono il luogo perfetto per la creazione di questa suite di riferimento."

ORNL ha pianificato piattaforme che cambiano paradigma come il quantum per più di un decennio tramite programmi di ricerca dedicati nel calcolo quantistico, rete, materiali sensoriali e quantistici. Questi sforzi mirano ad accelerare la comprensione di come le risorse di calcolo quantistico a breve termine possono aiutare ad affrontare le sfide scientifiche più scoraggianti di oggi e supportare la National Quantum Initiative recentemente annunciata, uno sforzo federale per garantire la leadership americana nelle scienze quantistiche, particolarmente informatico.

Tale leadership richiederà sistemi come Summit per garantire la marcia costante da dispositivi come quelli utilizzati dal team ORNL a sistemi quantistici su larga scala esponenzialmente più potenti di qualsiasi cosa in funzione oggi.

L'accesso ai processori IBM e Rigetti è stato fornito dal Quantum Computing User Program presso l'Oak Ridge Leadership Computing Facility, che fornisce l'accesso anticipato all'esistente, sistemi di calcolo quantistico commerciali, sostenendo al contempo lo sviluppo di futuri programmatori quantistici attraverso programmi educativi e di tirocinio. Il supporto per la ricerca è venuto dal programma di ricerca scientifica avanzata dell'informatica scientifica dell'Office of Science del DOE.

"Questo progetto aiuta il DOE a capire meglio cosa funzionerà e cosa non funzionerà mentre vanno avanti nella loro missione di realizzare il potenziale dell'informatica quantistica nel risolvere le più grandi sfide scientifiche e di sicurezza nazionale di oggi, " disse Pooser.

Prossimo, il team prevede di calcolare gli stati eccitati esponenzialmente più complessi di queste molecole, che li aiuterà a escogitare nuovi schemi di mitigazione degli errori e ad avvicinare la possibilità del calcolo quantistico pratico alla realtà.