量子计算机有望彻底改变研究人员解决困难计算问题的方式。量子计算机旨在应对量子化学等基础研究领域的重大挑战。在目前的发展阶段，量子计算仍然对环境中的噪声和破坏性因素非常敏感。这使得量子计算变得“嘈杂”，因为量子比特或量子比特通过不同步而丢失信息，这一过程称为退相干。

为了克服当前量子计算机的局限性，美国太平洋西北国家实验室 (PNNL) 的研究人员正在开发模拟程序，让人们得以一窥量子计算机的工作原理。

“当我们试图直接观察量子系统的行为时，比如量子比特，它们的量子态将会崩溃，”PNNL 计算机科学家Ang Li说。Li还是 五个能源部国家量子信息科学研究中心中的量子科学中心和量子优势联合设计中心的研究员。“为了解决这个问题，我们使用模拟来研究量子比特及其与环境的相互作用。”

Li和橡树岭国家实验室和微软的合作者使用高性能计算来开发模拟真实量子器件的模拟器，以执行复杂的量子电路。最近，他们结合了两种不同类型的模拟，创建了西北量子模拟器（NWQ-Sim）来测试量子算法。

“在量子设备上测试量子算法既慢又昂贵。此外，一些算法对于当前的量子设备来说太先进了，”Li说。“我们的量子模拟器可以帮助我们超越现有设备的限制，并为更复杂的系统测试算法。”

量子计算机的算法

多伦多大学的 PNNL 联合任命者、华盛顿大学的附属教授 Nathan Wiebe 正在采取另一种策略，为量子计算机编写代码。尽管有时会因为被当前量子设备的能力所限制而感到沮丧，但 Wiebe 将这一挑战视为机遇。

Wiebe 说：“嘈杂的量子电路会在计算中产生错误，计算所需的量子比特越多，就越容易出错。”

Wiebe 和华盛顿大学的合作者开发了新的算法来纠正某些类型的模拟中的这些错误。

“这项工作提供了一种更廉价、更快的方法来执行量子纠错。它可能使我们更接近于展示一个在近期量子硬件上对量子场论进行量子模拟的计算有用的例子，”Wiebe 说。

暗物质与量子计算

虽然 Wiebe 试图通过创建纠错算法来减轻噪音，但物理学家 Ben Loer 和他的同事们则着眼于环境来控制外部噪音源。

Loer 利用他的背景来实现超低水平的自然放射性——这是在宇宙中寻找暗物质的实验证据所必需的——以帮助防止量子位退相干。

Loer说：“来自环境的辐射，如伽马射线和 X 射线，无处不在，由于量子位非常敏感，我们认为这种辐射可能会干扰它们的量子态。”

为了测试这一点，Loer、项目负责人 Brent VanDevender 和同事 John Orrell 与麻省理工学院 (MIT) 和麻省理工学院林肯实验室的研究人员合作，使用铅屏蔽来保护量子位免受辐射。他们设计了在稀释冰箱中使用的屏蔽层——一种用于产生运行超导量子比特所需的绝对零以上温度的技术。他们发现当量子位受到保护时，量子位的退相干性会降低。

虽然这是了解辐射如何影响量子计算的第一步，但 Loer 计划研究辐射如何干扰量子系统内的电路和基板。Loer 说：“我们可以模拟和模拟这些量子相互作用，以帮助改进量子设备的设计。”

在 PNNL 化学家 Marvin Warner 的帮助下，Loer 正在 PNNL 的浅层地下实验室进行他的铅屏蔽稀释冰箱研究。

Warner说：“如果我们开发一种不能发挥应有的性能的量子设备，我们需要找出问题所在，通过屏蔽量子比特免受外部辐射，我们可以开始表征设备中其他潜在的噪声源。”

原文链接：https://phys.org/news/2022-06-quantum-algorithms-materials.html

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