利用量子H1-1量子计算机的全部功能，美国能源部橡树岭国家实验室的研究人员不仅展示了在当前量子系统上进行科学计算的最佳实践，而且还产生了一个有趣的科学结果。
通过模拟单线态裂变——一个分子吸收一个光子产生两个激发态——研究小组证实了线性H4分子的能量水平符合裂变过程的要求。简单地说，线性H4分子是由四个氢原子按线性排列而成的分子。
一个分子的能量水平是指一种现象(如单线态裂变)中涉及的每个量子态的能量，以及它们彼此之间的关系和比较。线性分子的能量水平有利于单线态裂变，这一事实可能在开发更高效太阳能电池板的整体努力中被证明是有用的知识。
“这是单线态裂变背后的主要激励因素之一——传统太阳能电池的理论最大效率约为33%，但人们一直认为，表现出单线态裂变的材料可以打破这一限制，从而提高效率，”ORNL量子计算科学小组的研究科学家、该项目的首席研究员丹尼尔·克劳迪诺(Daniel Claudino)说。“缺点是，从根本上理解某种材料是否表现出单线态裂变是非常困难的。有一个特定的能量需求，很难找到满足它的材料。”
ORNL团队使用量子计算机的方法具有较高的精度和可管理的计算成本，提供了一种有效的模拟方法来识别表现出单线态裂变特性的分子，同时绕过了传统计算机中常用的近似方法。他们的研究结果发表在《物理化学快报》上。
单线态裂变是一种多态现象，因此ORNL团队需要一种计算方法，可以平等地描述该过程的所有量子态，以计算准确的能量学数字。他们求助于PDS，这是一种基于彼得斯-德弗雷斯-索尔达托夫方法的量子求解器，由太平洋西北国家实验室开发。
在确定材料的能量特性方面，PDS比经典策略有一些优势，包括比密度泛函理论更高的精度和比耦合簇理论更少的计算需求。而且，由于它是为了提高量子化学模拟的准确性和效率而开发的，因此PDS非常适合利用量子计算机的潜在优势。
“单线态裂变的能量学围绕着双重电子激发——两个电子同时向上移动两个更高的能级，这很难用传统计算机的算法来确定，”克劳迪诺说。
“但量子计算机工作的基本方式是，它可以自然地处理导致这种单线裂变现象的量子相关性。那时我们才意识到，‘是的，我们应该用量子计算机来处理本质上是量子的东西。’”这是众所周知的。但我认为我们是第一个意识到它可以应用于这个特定问题的人。”
H1-1是由量子公司(原霍尼韦尔)制造的企业级量子计算机，由美国能源部科学办公室用户设施橡树岭领导计算设施的量子计算用户计划提供。
量子计算——一种与经典超级计算机(如OLCF的百亿亿级frontier)相比仍处于形成阶段的技术——利用量子比特来执行计算。与经典计算机中使用的二进制位不同，量子位超越了1和0，还在混合叠加中同时使用1和0，以指数方式提高了其对某些方程的处理能力，例如基于量子力学的方程。然而，量子计算机系统仍然容易出现高错误率，团队必须弥补这一挑战以获得可靠的结果。
克劳迪诺说:“在规避错误方面，为了安全起见，最好有更多的测量，但这样我们就无法及时运行这个算法。”
“那时我们想到了测量优化，将我们的计算规模降低到合理的计算时间。我们从一个大得令人望而却步的东西变成了一个适合量子硬件的东西。”
ORNL团队成员采用了三种独立的策略来减少问题的计算工作量，从而将解决问题的时间从几个月减少到几周。首先，在一种被称为量子位逐渐变细的技术中，他们减少了表达问题所需的量子位的数量，从而减小了问题本身的大小。其次，他们通过一次测量一组术语来解决问题，而不是测量每组中的每个单独的术语。第三，他们没有单独实现每个电路，而是找到了一种方法，使四个电路并行运行，从而允许他们使用H1-1中的所有20个量子位。
“我们意识到，如果我们想把整个东西都扔进量子计算机，那是行不通的，因为对于目前的技术来说，它仍然太多了。我们的想法是设想一种利用量子计算机的方法，但只用于我们知道量子计算机比传统计算机表现更好的特定任务，”克劳迪诺说。
“然而，即便如此，你仍然受到当前技术水平的限制，这些技术只能让我们达到一定的规模，或者执行只需要很长时间的任务。这是转向量子计算机的主要瓶颈。”
ORNL团队的项目证明了当前量子计算机解决可能影响日常生活的科学问题的可行性。虽然克劳迪诺并不认为能很快解决单线态裂变问题，但他的团队正在考虑其他问题，比如“物质和光的方向”，这些问题可能会用量子计算技术在这个项目中得到解决。
尽管我们使用的方法以前已经发表过，但我想说它们远没有被广泛采用。我认为我们有充分的理由支持使用这种方法，”克劳迪诺说。“研究人员应该注意，如果不利用这些技术，他们可能会浪费量子资源，并可能增加模拟中的错误。”
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