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50多年來，摩爾定律一直占據(jù)著至高無上的地位 。據(jù)觀察 ， 計算機芯片上的晶體管數(shù)量每兩年翻一番，這使得我們的現(xiàn)代數(shù)字革命成為可能——智能手機、個人電腦和當(dāng)前的超級計算機 。但摩爾定律正在放緩 。即使沒有，科學(xué)家需要解決的一些重大問題也可能超出了傳統(tǒng)計算機的范圍 。
在過去的幾年里 ， 勞倫斯伯克利國家實驗室(伯克利實驗室)的研究人員一直在探索一種基于量子力學(xué)的完全不同的計算架構(gòu) ， 以解決科學(xué)中一些最困難的問題 。在實驗室指導(dǎo)研發(fā)(LDRD)的支持下 ， 他們開發(fā)了量子化學(xué)和優(yōu)化算法，以及原型超導(dǎo)量子處理器 。最近，他們通過在包含兩個超導(dǎo)傳輸量子比特的量子處理器上使用這些算法證明了他們工作的可行性，從而成功地解決了計算氫分子完整能譜的化學(xué)問題 。
現(xiàn)在 ， 由伯克利實驗室領(lǐng)導(dǎo)的兩個研究小組將獲得能源部的資金來鞏固這一勢頭 。一個團隊將在三年內(nèi)獲得150萬美元，用于開發(fā)新的算法、編譯技術(shù)和調(diào)度工具，以便最近的量子計算平臺可以用于化學(xué)科學(xué)中的科學(xué)發(fā)現(xiàn) 。另一個團隊將與這些研究人員密切合作，設(shè)計原型4位和8位處理器來計算這些新算法 。該項目將持續(xù)五年 ， 研究人員在工作的第一年將獲得150萬美元 。第五年，硬件團隊希望展示一款控制功能齊全的64位處理器 。
“總有一天，通用量子計算機將能夠解決從分子設(shè)計到機器學(xué)習(xí)和網(wǎng)絡(luò)安全的各種問題，但我們還有很長的路要走 。因此，我們現(xiàn)在需要問的問題是，我們能否通過更專業(yè)的量子計算機解決具體問題，”伯克利實驗室科學(xué)家、加州大學(xué)伯克利分校量子相干科學(xué)中心創(chuàng)始主任伊爾凡西迪基(IrfanSiddiqi)說 。
據(jù)Siddiqi介紹，如今的量子相干計算技術(shù)確實具備必要的相干時間、邏輯運算保真度和電路拓?fù)?nbsp;， 可以用于分子與材料科學(xué)、數(shù)值優(yōu)化和高能物理等領(lǐng)域基礎(chǔ)研究的特殊計算 。鑒于這些進(jìn)展，他指出，能源部應(yīng)探索如何將這些技術(shù)融入高性能計算社區(qū) 。在這些新項目中，伯克利實驗室團隊將與工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的合作伙伴一起解決DOE任務(wù)科學(xué)中的難題，例如計算分子系統(tǒng)動力學(xué)和量子機器學(xué)習(xí) 。
“我們正處于量子計算的早期階段，這有點像我們20世紀(jì)40年代的傳統(tǒng)計算 。我們有一些硬件，現(xiàn)在我們需要開發(fā)一套強大的軟件、算法和工具，以便最好地利用它來解決真正困難的科學(xué)問題 ， ”實驗室計算研究部(CRD)伯克利計算化學(xué)、材料和氣候小組負(fù)責(zé)人伯特德容說 。
他將領(lǐng)導(dǎo)DOE量子算法團隊，該團隊由來自伯克利實驗室、哈佛大學(xué)、阿貢國家實驗室和加州大學(xué)伯克利分校的研究人員組成，專注于“量子算法，數(shù)學(xué)和化學(xué)科學(xué)的編譯工具” 。
伯克利實驗計算科學(xué)副主任喬納森卡特(JonathanCarter)表示：“伯克利實驗室的團隊科學(xué)傳統(tǒng)，以及它靠近加州大學(xué)伯克利分校和硅谷，使其成為端到端量子計算的理想場所 。“我們實驗室里有研究量子力學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)的物理學(xué)家和化學(xué)家，有設(shè)計和制造量子處理器的工程師，還有計算機科學(xué)家和數(shù)學(xué)家，確保硬件能夠有效計算DOE科學(xué) 。”
勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的卡特、西迪基和喬納森杜布瓦將領(lǐng)導(dǎo)能源部的高級量子模擬實驗(AQuES)實驗項目 。
量子相干的挑戰(zhàn) 。
“量子相干性”是構(gòu)建量子計算機的關(guān)鍵，可以解決傳統(tǒng)計算機無法解決的科學(xué)問題 。這種現(xiàn)象本質(zhì)上允許量子系統(tǒng)比傳統(tǒng)計算機每比特存儲更多的信息 。
在傳統(tǒng)計算機中 ， 處理器中的電路包括數(shù)十億個晶體管——由電子信號激活的微小開關(guān) 。數(shù)字1和0以二進(jìn)制形式用來反映晶體管的開和關(guān)狀態(tài) 。這基本上就是信息的存儲和處理方式 。當(dāng)程序員編寫計算機代碼時，翻譯器將其轉(zhuǎn)換為處理器可以執(zhí)行的二進(jìn)制指令-1和0 。
與傳統(tǒng)比特不同 ， 量子比特可以有一些反直覺的量子力學(xué)性質(zhì)，比如糾纏和疊加 。當(dāng)粒子對或粒子群的相互作用方式使得每個粒子的狀態(tài)無法單獨描述時，就會發(fā)生量子糾纏 。相反，必須描述整個系統(tǒng)的狀態(tài) 。換句話說，糾纏粒子作為一個單位 。當(dāng)兩個量子態(tài)結(jié)合 ， 粒子同時存在時，就會發(fā)生小的超位 。
因此，傳統(tǒng)的計算機位將信息編碼為0或1，而量子位可以是0 ， 1或狀態(tài)的疊加(0和1) 。例如，量子位以多種狀態(tài)存在的能力意味著它們可以比傳統(tǒng)計算機更快地計算材料和化學(xué)性質(zhì) 。如果這些量子比特可以在量子計算機中鏈接或糾纏在一起，傳統(tǒng)計算機無法解決的問題就可以得到解決 。
但是，如果它們能夠利用量子力學(xué)的特性，然后在這種狀態(tài)下充分利用它們，使量子比特達(dá)到量子相干態(tài)仍然是一個挑戰(zhàn) 。
“量子計算就像下棋，棋子和棋盤都是冰做的 。當(dāng)玩家在玩家周圍徘徊時 ， 組件正在融化，你做得越多 。
多 ， 游戲融化的速度就越快，“卡特說 。“Qubits在很短的時間內(nèi)失去了連貫性，所以由我們來決定我們可以做出的最有用的一系列動作 。”
卡特指出，伯克利實驗室與開發(fā)量子算法 ， 編譯技術(shù)和調(diào)度工具的研究人員密切合作共同設(shè)計量子處理器的方法對于回答這個問題非常有用 。
“計算方法在伯克利實驗室的大多數(shù)科學(xué)項目中都很常見 。隨著摩爾定律的逐漸放緩，新的計算架構(gòu)，系統(tǒng)和技術(shù)已成為伯克利實驗室的一項優(yōu)先舉措，“伯克利實驗室副主任霍斯特西蒙說 。“我們很早就認(rèn)識到量子模擬如何為科學(xué)中一些最具挑戰(zhàn)性的計算問題提供有效的方法，我很高興看到通過第一次直接資助來認(rèn)可我們的LDRD計劃 。量子信息科學(xué)將成為我們跨越多個學(xué)科的研究企業(yè)中越來越重要的元素 。“
由于該領(lǐng)域仍處于早期階段，因此構(gòu)建量子計算機的方法有很多種 。伯克利實驗室領(lǐng)導(dǎo)的團隊將研究超導(dǎo)量子計算機 。
【處理基本科學(xué)問題的量子計算機】為了設(shè)計和制造下一代量子處理器 ， AQuES團隊將利用加州大學(xué)伯克利分校量子納米電子學(xué)實驗室的超導(dǎo)電路設(shè)施，同時結(jié)合伯克利實驗室加速器技術(shù)和應(yīng)用物理 ， 材料科學(xué)和工程部門的研究人員的專業(yè)知識 。研究團隊還將利用兩個DOE設(shè)施的獨特能力; 分子鑄造和國家能源研究科學(xué)計算中心(NERSC) ， 均位于伯克利實驗室 。
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