Pesquisadores do Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia desenvolveram um benchmark de simulação de química quântica para avaliar o desempenho de dispositivos quânticos e orientar o desenvolvimento de aplicativos para futuros computadores quânticos.

Suas descobertas foram publicadas em npj Quantum Information .

Os computadores quânticos usam as leis da mecânica quântica e unidades conhecidas como qubits para aumentar muito o limite no qual as informações podem ser transmitidas e processadas. Considerando que os "bits" tradicionais têm um valor de 0 ou 1, qubits são codificados com valores de 0 e 1, ou qualquer combinação dos mesmos, permitindo um grande número de possibilidades de armazenamento de dados.

Ainda em seus estágios iniciais, sistemas quânticos têm o potencial de ser exponencialmente mais poderosos do que os principais sistemas de computação clássicos de hoje e prometem revolucionar a pesquisa em materiais, química, física de alta energia, e em todo o espectro científico.

Mas porque esses sistemas estão em sua infância relativa, entender quais aplicativos são adequados para suas arquiteturas exclusivas é considerado um importante campo de pesquisa.

"Atualmente, estamos lidando com problemas científicos bastante simples que representam o tipo de problema que acreditamos que esses sistemas nos ajudarão a resolver no futuro, "disse Raphael Pooser do ORNL, investigador principal do projeto Quantum Testbed Pathfinder. "Esses benchmarks nos dão uma ideia de como os sistemas quânticos futuros irão se comportar ao lidar com semelhantes, embora exponencialmente mais complexo, simulações. "

Pooser e seus colegas calcularam a energia do estado ligado das moléculas de hidreto alcalino nos processadores IBM Tokyo de 20 qubit e Rigetti Aspen de 16 qubit. Essas moléculas são simples e suas energias bem compreendidas, permitindo-lhes testar efetivamente o desempenho do computador quântico.

Ajustando o computador quântico em função de alguns parâmetros, a equipe calculou os estados vinculados dessas moléculas com precisão química, que foi obtido por meio de simulações em um computador clássico. De igual importância é o fato de que os cálculos quânticos também incluíram a mitigação de erros sistemáticos, iluminando as deficiências no hardware quântico atual.

O erro sistemático ocorre quando o "ruído" inerente às arquiteturas quânticas atuais afeta sua operação. Porque os computadores quânticos são extremamente delicados (por exemplo, os qubits usados ​​pela equipe ORNL são mantidos em um refrigerador de diluição em cerca de 20 milikelvin (ou mais de -450 graus Fahrenheit), temperaturas e vibrações de seus ambientes circundantes podem criar instabilidades que prejudicam sua precisão. Por exemplo, tal ruído pode fazer com que um qubit gire 21 graus em vez dos 20 desejados, afetando muito o resultado de um cálculo.

“Este novo benchmark caracteriza o 'estado misto, 'ou como o ambiente e a máquina interagem, muito bem, "Pooser disse." Este trabalho é um passo crítico em direção a uma referência universal para medir o desempenho de computadores quânticos, muito parecido com a métrica LINPACK é usada para julgar os computadores clássicos mais rápidos do mundo. "

Embora os cálculos fossem bastante simples em comparação com o que é possível nos principais sistemas clássicos, como ORNL's Summit, atualmente classificado como o computador mais poderoso do mundo, química quântica, junto com a física nuclear e a teoria quântica de campo, é considerado um "aplicativo matador" quântico. Em outras palavras, acredita-se que, à medida que evoluem, os computadores quânticos serão capazes de realizar com mais precisão e eficiência uma ampla gama de cálculos relacionados à química melhor do que qualquer computador clássico atualmente em operação, incluindo Summit.

"O benchmark atual é um primeiro passo em direção a um conjunto abrangente de benchmarks e métricas que regem o desempenho dos processadores quânticos para diferentes domínios científicos, "disse o químico quântico ORNL Jacek Jakowski." Esperamos que evolua com o tempo, à medida que o hardware de computação quântica melhora. A vasta experiência do ORNL em ciências de domínio, a ciência da computação e a computação de alto desempenho o tornam o local perfeito para a criação deste conjunto de referência. "

ORNL tem planejado plataformas de mudança de paradigma, como a quântica, por mais de uma década, por meio de programas de pesquisa dedicados em computação quântica, networking, materiais de detecção e quânticos. Esses esforços têm como objetivo acelerar a compreensão de como os recursos de computação quântica de curto prazo podem ajudar a enfrentar os desafios científicos mais assustadores da atualidade e apoiar a recentemente anunciada Iniciativa Quantum Nacional, um esforço federal para garantir a liderança americana em ciências quânticas, particularmente computação.

Essa liderança exigirá sistemas como o Summit para garantir a marcha constante de dispositivos como os usados ​​pela equipe ORNL para sistemas quânticos em grande escala exponencialmente mais poderosos do que qualquer coisa em operação hoje.

O acesso aos processadores IBM e Rigetti foi fornecido pelo Quantum Computing User Program no Oak Ridge Leadership Computing Facility, que fornece acesso antecipado a sistemas comerciais de computação quântica, ao mesmo tempo que apóia o desenvolvimento de futuros programadores quânticos por meio de programas de extensão educacional e de estágio. O apoio para a pesquisa veio do programa Office of Science Advanced Computing Research do DOE.

"Este projeto ajuda o DOE a entender melhor o que funcionará e o que não funcionará à medida que avançam em sua missão de realizar o potencial da computação quântica para resolver os maiores desafios da ciência e da segurança nacional da atualidade, "Pooser disse.

Próximo, a equipe planeja calcular os estados excitados exponencialmente mais complexos dessas moléculas, que os ajudará a conceber novos esquemas de mitigação de erros e trazer a possibilidade de computação quântica prática um passo mais perto da realidade.