以第一臺實用量子計算機為目標的競賽正在全面展開。全球各家公司、各國、合作者和競爭對手都在激烈爭奪量子霸權。谷歌說量子霸權已經出現了。量子霸權是什么意思？是怎么知道量子霸權是什么時候實現的呢？

利用經典計算機，PNNL（Pacific Northwest National Laboratory，美國太平洋西北國家實驗室）的計算科學家們已經定立了一個基準，一個量子系統需要超越這個基準才能叫在化學領域建立了量子霸權。

這是因為現在最快的經典計算機在模擬量子計算機最終能做什么方面越來越好。為了在真實世界中證明有用，量子計算機必須能夠超越傳統超級計算機的能力，而這，正是PNNL領導的團隊為量子計算機設定的基準。

PNNL的計算化學家卡羅爾·科瓦爾斯基（Karol Kowalski）說：“量子化學問題的經典模擬是量子計算機的一個目標。“當一臺量子計算機能夠超越我們最好的并行計算系統的計算性能時，量子計算開發人員就能知道他們下一步需要努力做什么研究。這是一個激勵創新的基準。”

最新的模擬計算基準，模擬了113個電子，是有史以來用經典計算機在此精度上模擬的最大量子系統。PNNL小組與匈牙利和捷克共和國的研究者合作，通過模擬固氮酶中一種重要化學結構來設定基準，固氮酶是一種將大氣中的氮轉化為可供植物使用的肥料的酶。這種酶之所以成為研究的熱點，是因為它可能是生產足夠糧食以養活不斷增長的全球人口的關鍵。

了解這種酶如何能夠在消耗很少能量的同時，打破氮的三鍵，可能是新催化劑設計的關鍵，最終降低肥料的生產成本，提供充足的肥料，目前肥料生產需要很多化學工藝，需要大量能量投入。

縮小量子化學問題

PNNL的高性能計算專家和量子計算首席科學家斯利拉姆·克里希納莫蒂（Sriram Krishnamoorthy）說：“擁有一臺可用的量子計算機可能真的會給復雜的量子化學領域帶來變化。”“我們正在研發將在量子計算機上運行的程序。““當量子計算機到來時，我們將做好準備”，克里希納莫蒂說。

克里希納莫蒂、科瓦爾斯基和他們的PNNL同事正在通過Northwest Quantum Nexus（西北量子網絡）與微軟的研究人員合作，既包括模擬量子計算機的工作方式，還有為可能在激烈的全球競爭中出現的任何量子計算機編寫工作程序。

科瓦爾斯基說：“分析具有挑戰性的、重要的分子系統需要量子計算機，傳統的計算機，包括當今最快的超級計算機，都不足以模擬這種量子計算機。”“理解化學體系和設計新材料需要更好的計算工具。”

在全尺寸量子計算機問世之前，PNNL團隊與微軟專家合作，在當前的數字計算機和下一代計算機之間架起一座橋梁。工作流程利用了經典計算機目前的優勢，同時利用目前的量子計算能力來描述與工業過程（如能源生產和能源儲存）相關的化學轉化。

研究小組認為，關鍵是要獲取一臺經典計算機的輸出，并能將這些信息轉換成一個可以被量子計算機解釋的輸入。研究人員在2019年年中發表了這一量子計算方法。

從那時起，PNNL團隊在連接經典計算機和量子計算機方面又邁出了一大步。他們開發了一種計算機算法，利用了一種叫做“向下折疊”（downfolding）的數學技巧。本質上，向下折疊使得在目前的試驗臺量子計算機上進行困難和耗時的計算成為可能。

科瓦爾斯基說：“這就像把一個大盒子縮小成一個小得多的盒子。”“在這種情況下，方框代表一個巨大的數值空間。我們在量子計算機中使用更緊湊的描述，所得到的結果準確地表示了更大系統的能量。它是經典計算和未來幾年量子計算之間的橋梁。”

這似乎是一個數學竅門，但科瓦爾斯基補充說，該方法使用量子力學的性質和一系列嚴格的數學理論，是可靠和可復現的。

打開新的大門

這種向下折疊的方法不僅為量子計算開辟了新的途徑，而且讓使用更有效和更精確的方法來分析和驗證美國能源部（DOE）每天產生的大量數據成為可能，這些數據來源于美國能源部支持的光源，研究精度在亞原子級別。

科瓦爾斯基說：“我們已經展示了如何用哈密頓下折（Hamiltonian downfolding）來分析激發態電子的量子行為。”“這提供了一種用理論來驗證解釋數據的方法。”

這些通往量子計算之路的過渡步驟至關重要，因為它們提供了重要的基準，有助于展示世界與實現量子霸權的距離有多近。

“我們將能夠根據這些計算來測試量子計算機的輸出”，克里希納莫蒂說道，“如果量子計算機能產生接近這些結果的結果，我們就會知道它們是有效的。”

這篇專題文章中描述的工作得到了美國能源部、科學辦公室（Office of Science）、基礎能源科學辦公室（Office of Basic Energy Sciences）、化學科學、地球科學和生物科學司（the Chemical Sciences， Geosciences， and Biosciences Division）的支持。這項研究的一部分是由PNNL的類星體計劃（Quantum Algorithms， Software， and Architectures （QUASAR） Initiative）資助的。一些計算是在環境分子科學實驗室（the Environmental Molecular Sciences Laboratory，EMSL）進行的，該實驗室是由美國能源部資助的國家用戶設施，位于PNNL。