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科技实时动态:一种处理基础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。观察到计算机芯片上的晶体管数量大约每两年增加一倍,这为我们的现代数字革命 - 智能手机,个人电脑和当前的超级计算机 - 提供了可能。但摩尔定律正在放缓。即使不是这样,科学家需要解决的一些重大问题可能超出传统计算机的范围。

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类型的计算架构,以解决一些科学上最难的问题。通过实验室指导研究和开发(LDRD)资助,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来证明其工作的可行性,以成功地解决计算氢分子的完整能谱的化学问题。

现在,由伯克利实验室工作人员领导的两个研究小组将从能源部(DOE)获得资金,以巩固这一势头。一个团队将在三年内获得150万美元用于开发新算法,编译技术和调度工具,使近期量子计算平台能够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,设计原型四和八比特的处理器来计算这些新算法。该项目将持续五年,研究人员将在第一年的工作中获得150万美元。到第五年,硬件团队希望展示一款具有完全控制功能的64-bit处理器。

“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,我们目前要问的问题是,我们是否可以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Irfan Siddiqi说 。

根据Siddiqi的说法,今天的量子相干计算技术确实具有必要的相干时间,逻辑运算保真度和电路拓扑结构,可以为分子和材料科学,数值优化和高能物理等领域的基础研究进行专门的计算。鉴于这些进步,他指出DOE应该探索如何将这些技术集成到高性能计算社区中。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者共同努力,在这些进步的基础上,解决困难的DOE任务科学问题,如计算分子系统动力学和量子机器学习。

“我们处于量子计算的早期阶段,有点像我们在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,以便最佳地利用它来解决真正困难的科学问题,“Bert de Jong说道,他是伯克利计算化学,材料和气候组的负责人实验室计算研究部(CRD)。

他将领导DOE量子算法团队,该团队由伯克利实验室,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,数学和化学科学编译工具”。

“伯克利实验室的团队科学传统,以及与加州大学伯克利分校和硅谷的接近,使其成为端到端量子计算的理想之地,”伯克利实验计算科学副主任Jonathan Carter说。“我们在实验室里有物理学家和化学家,他们正在研究量子力学的基础科学,设计和制造量子处理器的工程师,以及计算机科学家和数学家,以确保硬件能够有效地计算DOE科学。”

Carter,Siddiqi和Lawrence Livermore国家实验室的Jonathan DuBois将领导DOE的高级量子模拟试验(AQuES)试验项目。

量子相干的挑战

构建解决传统计算机无法企及的科学问题的量子计算机的关键是“量子相干性”。这种现象本质上允许量子系统每比特存储比传统计算机更多的信息。

在传统的计算机中,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以二进制形式使用,以反映晶体管的导通和截止状态。这基本上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。

与传统的比特不同,量子比特(量子比特)可以具有一些反直觉的量子力学特性,如 纠缠 和 叠加。 当粒子对或粒子群以不能单独描述每个粒子的状态的方式相互作用时,发生量子纠缠 ; 相反,必须为整个系统描述状态。换句话说,纠缠粒子作为一个单元。小号uperposition 当两个量子态的组合同时存在的颗粒发生。

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(同时0和1)。量子比特在多个状态下存在的能力意味着它可以例如比传统计算机更快地计算材料和化学特性。如果这些量子比特可以在量子计算机中链接或纠缠,那么现在用传统计算机无法解决的问题就可以得到解决。

但是, 如果他们可以利用量子力学特性,然后在它们处于这种状态时充分利用它们,那么使量子比特达到 量子相干状态仍然是一个挑战。

“量子计算就像玩国际象棋游戏,其中棋子和棋盘都是由冰制成的。随着球员们在球员身边徘徊,组件正在融化,你所做的动作越多,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。

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。

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