La corsa verso il primo computer quantistico pratico è in pieno svolgimento. Aziende, Paesi, collaboratori, e i concorrenti di tutto il mondo si contendono la supremazia quantistica. Google dice che è già lì. Ma cosa significa? Come farà il mondo a sapere quando è stato raggiunto?

Utilizzando computer classici, gli scienziati computazionali del PNNL hanno stabilito un segno che un sistema quantistico dovrebbe superare per stabilire la supremazia quantistica nel regno della chimica.

Questo perché i computer classici più veloci disponibili oggi stanno migliorando sempre di più nel simulare ciò che alla fine ci si aspetta che faccia un computer quantistico. Per mettersi alla prova nel mondo reale, un computer quantistico dovrà essere in grado di superare ciò che può fare un supercomputer veloce. Ed è qui che il team guidato dal PNNL ha stabilito un punto di riferimento per i computer quantistici da battere.

"La simulazione classica dei problemi di chimica quantistica serve come obiettivo per i computer quantistici, "ha detto Karol Kowalski, un chimico computazionale al PNNL. "Quando un computer quantistico può battere ciò che possono fare i nostri migliori sistemi di calcolo parallelo, Gli sviluppatori di calcolo quantistico sapranno di essere dove devono essere. Questo è un punto di riferimento per ispirare l'innovazione."

A 113 elettroni, la recente simulazione di benchmark è il più grande sistema quantistico mai simulato a questo preciso livello di accuratezza utilizzando un computer classico. Lavorando con collaboratori in Ungheria e Repubblica Ceca, il team del PNNL ha stabilito il punto di riferimento simulando la struttura di un'importante struttura chimica in nitrogenasi, un enzima che converte l'azoto nell'atmosfera in fertilizzante utilizzabile per le piante. L'enzima è oggetto di studi approfonditi perché potrebbe essere fondamentale per produrre cibo a sufficienza per sfamare una popolazione globale in continua crescita.

Comprendere come questo enzima è in grado di rompere il forte triplo legame dell'azoto, pur spendendo pochissima energia, potrebbe essere la chiave per la progettazione di un nuovo catalizzatore, alla fine fornendo fertilizzanti abbondanti attualmente prodotti utilizzando un processo chimico che richiede grandi input energetici.

Ridurre il problema della chimica quantistica

"La chimica quantistica complessa è esattamente il tipo di problema in cui avere a disposizione un computer quantistico potrebbe davvero fare la differenza, " disse Sriram Krishnamoorthy, un esperto di calcolo ad alte prestazioni e scienziato capo del calcolo quantistico presso PNNL. "Stiamo lavorando alla creazione di programmi che verranno eseguiti sui computer quantistici.

"Quando arrivano i computer quantistici, saremo pronti per loro, " disse Krishnamoorthy.

Krishnamoorthy, Kowalski, e i loro colleghi PNNL stanno lavorando in collaborazione con i partner di Microsoft, attraverso il nesso quantico nordoccidentale, sia per simulare come funzionerà un computer quantistico che per scrivere programmi che funzioneranno su qualsiasi computer quantistico che emerge dall'intensa competizione globale.

"Computer convenzionali, compresi i supercomputer più veloci di oggi, sono inadeguati per simulare i sistemi quantistici necessari per descrivere sistemi e processi molecolari impegnativi e importanti, " ha detto Kowalski. "Sono necessari strumenti di calcolo migliori per comprendere i sistemi chimici e progettare nuovi materiali".

Fino a quando non sarà disponibile un computer quantistico su vasta scala, il team PNNL ha lavorato con gli esperti Microsoft per sviluppare un ponte tra gli attuali computer digitali e ciò che verrà dopo. Il flusso di lavoro sfrutta ciò che i computer classici fanno bene ora, utilizzando le attuali capacità dell'informatica quantistica per descrivere le trasformazioni chimiche rilevanti per i processi industriali come la generazione e lo stoccaggio di energia.

Il tasto, secondo il gruppo di ricerca, era prendere l'output di un computer classico ed essere in grado di convertire quell'informazione in un input che può essere interpretato da un computer quantistico. I ricercatori hanno pubblicato quel metodo di calcolo quantistico a metà del 2019.

Da allora, il team del PNNL ha compiuto un altro enorme passo avanti nel collegare computer classici e quantistici. Hanno sviluppato un algoritmo informatico che sfrutta un trucco matematico chiamato "downfolding". Essenzialmente, il downfolding rende possibili calcoli difficili e dispendiosi in termini di tempo sugli attuali computer quantistici del banco di prova.

"È come ridurre una grande scatola in una scatola molto più piccola, " disse Kowalski. "In questo caso, la scatola rappresenta un enorme spazio numerico. Usiamo una descrizione più compatta in un computer quantistico, e ciò che ne esce rappresenta accuratamente l'energia del sistema molto più grande. È un ponte tra l'informatica classica e quella che sarà l'informatica quantistica nei prossimi anni".

Può sembrare un trucco magico matematico, ma Kowalski aggiunge che il metodo utilizza proprietà della meccanica quantistica e una serie di teorie matematiche rigorose che sono affidabili e riproducibili.

Aprendo nuove porte

Il metodo downfolding non solo apre strade all'informatica quantistica, rende possibili anche nuove, modi molto più efficienti e accurati di analizzare e convalidare le risme di dati generati ogni giorno dall'investimento degli Stati Uniti nelle sorgenti luminose supportate dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) utilizzate per studiare il nostro mondo in dettaglio subatomico.

"Abbiamo mostrato come il comportamento quantistico degli stati elettronici eccitati può essere analizzato con il downfolding hamiltoniano, " ha detto Kowalski. "Questo fornisce un modo per utilizzare la teoria per convalidare l'interpretazione dei dati".

Questi passaggi intermedi nel percorso verso l'informatica quantistica sono essenziali perché forniscono parametri di riferimento essenziali che aiutano a mostrare quanto il mondo sia vicino al raggiungimento della supremazia quantistica.

"Saremo in grado di testare l'output dei computer quantistici rispetto a questi calcoli, " ha detto Krishnamoorthy. "Se i computer quantistici possono produrre risultati vicini a questi risultati, sapremo che funzionano".