Un chef d'équipe de recherche de l'ORNL développe une référence universelle pour la précision et les performances des ordinateurs quantiques basée sur des simulations de chimie quantique. Le benchmark aidera la communauté à évaluer et développer de nouveaux processeurs quantiques. (En bas à gauche :schéma d'un des circuits quantiques utilisés pour tester la molécule de RbH. En haut à gauche :orbitales moléculaires utilisées. En haut à droite :résultats réels obtenus en utilisant le circuit en bas à gauche pour RbH). Crédit :Laboratoire national d'Oak Ridge
Des chercheurs du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie ont développé une référence de simulation de chimie quantique pour évaluer les performances des dispositifs quantiques et guider le développement d'applications pour les futurs ordinateurs quantiques.
Leurs conclusions ont été publiées dans Informations quantiques npj .
Les ordinateurs quantiques utilisent les lois de la mécanique quantique et les unités appelées qubits pour augmenter considérablement le seuil auquel les informations peuvent être transmises et traitées. Alors que les "bits" traditionnels ont une valeur de 0 ou 1, les qubits sont codés avec les valeurs 0 et 1, ou toute combinaison de ceux-ci, permettant un grand nombre de possibilités de stockage de données.
Alors qu'ils sont encore à leurs débuts, les systèmes quantiques ont le potentiel d'être exponentiellement plus puissants que les principaux systèmes informatiques classiques d'aujourd'hui et promettent de révolutionner la recherche sur les matériaux, chimie, physique des hautes énergies, et à travers le spectre scientifique.
Mais parce que ces systèmes en sont à leurs balbutiements relatifs, comprendre quelles applications sont bien adaptées à leurs architectures uniques est considéré comme un domaine de recherche important.
"Nous gérons actuellement des problèmes scientifiques assez simples qui représentent le genre de problèmes que nous pensons que ces systèmes nous aideront à résoudre à l'avenir, " a déclaré Raphael Pooser de l'ORNL, chercheur principal du projet Quantum Testbed Pathfinder. "Ces repères nous donnent une idée de la façon dont les futurs systèmes quantiques se comporteront lorsqu'ils s'attaqueront à des problèmes similaires, bien que exponentiellement plus complexe, simulation."
Pooser et ses collègues ont calculé l'énergie de l'état lié des molécules d'hydrure alcalin sur des processeurs IBM Tokyo 20 qubits et Rigetti Aspen 16 qubits. Ces molécules sont simples et leurs énergies bien comprises, leur permettant de tester efficacement les performances de l'ordinateur quantique.
En réglant l'ordinateur quantique en fonction de quelques paramètres, l'équipe a calculé les états liés de ces molécules avec une précision chimique, qui a été obtenu à l'aide de simulations sur un ordinateur classique. Tout aussi important est le fait que les calculs quantiques comprenaient également l'atténuation systématique des erreurs, éclairant les lacunes du matériel quantique actuel.
L'erreur systématique se produit lorsque le « bruit » inhérent aux architectures quantiques actuelles affecte leur fonctionnement. Parce que les ordinateurs quantiques sont extrêmement délicats (par exemple, les qubits utilisés par l'équipe ORNL sont conservés dans un réfrigérateur à dilution à environ 20 millikelvin (soit plus de -450 degrés Fahrenheit), les températures et les vibrations de leur environnement environnant peuvent créer des instabilités qui nuisent à leur précision. Par exemple, un tel bruit peut faire pivoter un qubit de 21 degrés au lieu des 20 souhaités, affectant grandement le résultat d'un calcul.
"Ce nouveau repère caractérise l'état mixte, ' ou comment l'environnement et la machine interagissent, très bien, " Pooser a déclaré. " Ce travail est une étape critique vers une référence universelle pour mesurer les performances des ordinateurs quantiques, un peu comme la métrique LINPACK est utilisée pour juger les ordinateurs classiques les plus rapides au monde."
Alors que les calculs étaient assez simples par rapport à ce qui est possible sur les principaux systèmes classiques tels que Summit de l'ORNL, actuellement classé comme l'ordinateur le plus puissant au monde, chimie quantique, avec la physique nucléaire et la théorie quantique des champs, est considérée comme une « application tueuse » quantique. En d'autres termes, on pense qu'à mesure qu'ils évoluent, les ordinateurs quantiques seront capables d'effectuer plus précisément et plus efficacement un large éventail de calculs liés à la chimie, mieux que n'importe quel ordinateur classique actuellement en fonctionnement, y compris le Sommet.
« La référence actuelle est une première étape vers une suite complète de références et de métriques qui régissent les performances des processeurs quantiques pour différents domaines scientifiques, " a déclaré Jacek Jakowski, chimiste quantique de l'ORNL. " Nous nous attendons à ce qu'il évolue avec le temps à mesure que le matériel informatique quantique s'améliore. La vaste expertise de l'ORNL dans les sciences du domaine, l'informatique et le calcul haute performance en font le lieu idéal pour la création de cette suite de référence."
L'ORNL planifie depuis plus d'une décennie des plateformes de changement de paradigme telles que le quantum via des programmes de recherche dédiés à l'informatique quantique, la mise en réseau, matériaux de détection et quantiques. Ces efforts visent à accélérer la compréhension de la façon dont les ressources informatiques quantiques à court terme peuvent aider à relever les défis scientifiques les plus redoutables d'aujourd'hui et à soutenir l'Initiative nationale quantique récemment annoncée, un effort fédéral pour assurer le leadership américain dans les sciences quantiques, informatique en particulier.
Un tel leadership nécessitera des systèmes tels que Summit pour assurer la progression constante des appareils tels que ceux utilisés par l'équipe ORNL vers des systèmes quantiques à plus grande échelle, exponentiellement plus puissants que tout ce qui est en service aujourd'hui.
L'accès aux processeurs IBM et Rigetti a été fourni par le Quantum Computing User Program de l'Oak Ridge Leadership Computing Facility, qui offre un accès rapide à l'existant, systèmes informatiques quantiques commerciaux tout en soutenant le développement de futurs programmeurs quantiques par le biais de programmes de sensibilisation et de stages. Le soutien à la recherche est venu du programme de recherche en informatique scientifique avancée du Bureau des sciences du DOE.
"Ce projet aide le DOE à mieux comprendre ce qui fonctionnera et ce qui ne fonctionnera pas alors qu'il poursuit sa mission de réaliser le potentiel de l'informatique quantique pour résoudre les plus grands défis scientifiques et de sécurité nationale d'aujourd'hui, " dit Pooser.
Prochain, l'équipe prévoit de calculer les états excités exponentiellement plus complexes de ces molécules, ce qui les aidera à concevoir de nouveaux schémas d'atténuation des erreurs et à rapprocher la possibilité de l'informatique quantique pratique de la réalité.
