Credit: Oak Ridge National Laboratory

Introduzione

I ricercatori del Department of Energy’s Oak Ridge National Laboratory hanno sviluppato un benchmark di simulazione di chimica quantistica per valutare le prestazioni dei dispositivi quantistici e guidare lo sviluppo di applicazioni per i futuri computer quantistici. La loro ricerca è stata pubblicata su npj Quantum Information.

Comprendere i sistemi quantistici

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

Anche se sono ancora nelle loro fasi iniziali, i sistemi quantistici hanno il potenziale per essere esponenzialmente più potenti dei principali sistemi di elaborazione attuali e promettono di rivoluzionare la ricerca sui materiali, la chimica, la fisica e ogni altra scienza.

Ma dal momento che questi sistemi sono ancora in una fase iniziale del loro sviluppo, la comprensione di quali applicazioni si adattano bene alle loro architetture uniche è considerata un importante campo di ricerca.

Attualmente ci stiamo concentrando su problemi scientifici abbastanza semplici che rappresentano il tipo di problema che riteniamo possano aiutare a risolvere questi sistemi in futuro“, ha affermato Raphael Pooser di ORNL, ricercatore principale del progetto Quantum Testbed Pathfinder. “Questi benchmark ci danno un’idea di come si comporteranno i futuri sistemi quantistici quando affronteranno simulazioni simili, sebbene esponenzialmente più complesse“.

Il nuovo benchmark

Pooser e colleghi hanno calcolato l’energia di legame di molecole di idruri alcalini sui processori IBM Tokyo a 20 qubit e Rigetto Aspen a 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 alcuni parametri, il team ha calcolato gli stati associati di queste molecole con una accuratezza ottenuta utilizzando simulazioni su un computer classico. Di pari importanza è il fatto che i calcoli quantistici includessero anche una mitigazione sistematica degli errori, evidenziando le carenze nell’attuale hardware quantistico.

Si verifica un errore sistematico quando il “rumore” insito nelle 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 di diluizione a circa 20 millikelvin (o più di -450 gradi Fahrenheit), le temperature e le vibrazioni degli ambienti circostanti possono creare instabilità che ne compromettono l’accuratezza; ad esempio, tale rumore può far ruotare un qubit di 21 gradi invece dei 20 desiderati, influenzando notevolmente il risultato di un calcolo.

Questo nuovo benchmark caratterizza lo “stato misto” o il modo in cui l’ambiente e la macchina interagiscono“, ha detto Pooser. “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“.

L’attuale benchmark è un primo passo verso una suite completa di benchmark e metriche che regolano le prestazioni dei processori quantistici per diversi settori scientifici“, ha dichiarato Jacek Jakowski, chimico quantistico dell’ORNL . “Ci aspettiamo che evolva nel tempo con il miglioramento dell’hardware. La vasta esperienza di ORNL nell’informatica ad alte prestazioni lo rende il luogo perfetto per la creazione di questa suite di benchmark“.

Affrontare le sfide scientifiche più scoraggianti

ORNL è impegnata in questo settore da oltre un decennio attraverso programmi di ricerca dedicati nel campo dell’informatica quantistica, della rete, del rilevamento e dei materiali quantistici. Questi sforzi mirano ad accelerare la comprensione di come le risorse di calcolo quantistico a breve termine possano 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, in particolare l’informatica.

Una tale leadership richiederà sistemi come Summit (attualmente classificato come il computer più potente del mondo) per garantire il passaggio dai dispositivi come quelli utilizzati dal team ORNL a sistemi quantistici su larga scala più potenti di qualsiasi cosa sia in funzione oggi.

L’accesso ai processori IBM e Rigetti è stato fornito dal Quantum Computing User Program presso il Leadership Computing Facility di Oak Ridge, che fornisce un accesso anticipato ai sistemi di computazione quantistica commerciale esistenti, supportando allo stesso tempo lo sviluppo di futuri programmatori quantistici attraverso programmi educativi di sensibilizzazione e stage. Il supporto per la ricerca è arrivato dal programma di ricerca scientifica avanzata di informatica dell’ufficio DOE.

Questo progetto aiuta DOE a capire meglio cosa funzionerà e cosa non funzionerà mentre avanzano nella loro missione per realizzare il potenziale dell’informatica quantistica nel risolvere le più grandi sfide scientifiche e di sicurezza nazionale di oggi“, ha affermato Pooser.

Successivamente, il team prevede di calcolare gli stati eccitati esponenzialmente più complessi di queste molecole, che li aiuteranno a ideare nuovi schemi di mitigazione degli errori e portare la possibilità del calcolo quantistico pratico un passo avanti verso la realtà.

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