量子計(jì)算機(jī)有望徹底改變研究人員解決計(jì)算難題的方式。這些計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)是為了應(yīng)對(duì)量子化學(xué)等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)。在目前的發(fā)展階段，量子計(jì)算仍然對(duì)環(huán)境中的噪聲和破壞性因素非常敏感。這使得量子計(jì)算變得“嘈雜”，因?yàn)榱孔颖忍鼗蛄孔颖忍赜捎谑ネ蕉鴣G失信息，這一過(guò)程稱(chēng)為退相干。

為了克服當(dāng)前量子計(jì)算機(jī)的局限性，西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（PNNL）的研究人員正在開(kāi)發(fā)模擬，以提供量子計(jì)算機(jī)工作原理的一瞥。

PNNL計(jì)算機(jī)科學(xué)家Ang Li說(shuō)：“當(dāng)我們?cè)噲D直接觀察量子系統(tǒng)（如量子比特）的行為時(shí)，它們的量子態(tài)將崩潰?！?。Li還是五個(gè)能源部國(guó)家量子信息科學(xué)研究中心中的量子科學(xué)中心和量子優(yōu)勢(shì)聯(lián)合設(shè)計(jì)中心的研究員。“為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們使用模擬器來(lái)研究量子位及其與環(huán)境的相互作用。”

李和橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和微軟的合作者利用高性能計(jì)算開(kāi)發(fā)模擬真實(shí)量子設(shè)備的模擬器，以執(zhí)行復(fù)雜的量子電路。最近，他們結(jié)合了兩種不同類(lèi)型的模擬來(lái)創(chuàng)建西北量子模擬器（NWQ Sim），以測(cè)試量子算法。

“在量子設(shè)備上測(cè)試量子算法速度慢，成本高。而且，有些算法對(duì)于當(dāng)前的量子設(shè)備來(lái)說(shuō)過(guò)于先進(jìn)，”李說(shuō)?！拔覀兊牧孔幽M器可以幫助我們超越現(xiàn)有設(shè)備的限制，并測(cè)試更復(fù)雜系統(tǒng)的算法?！?/p>

量子計(jì)算機(jī)算法

多倫多大學(xué)PNNL聯(lián)合任命者、華盛頓大學(xué)附屬教授內(nèi)森·維比（NathanWiebe）正在采取另一種策略，為量子計(jì)算機(jī)編寫(xiě)代碼。雖然有時(shí)被當(dāng)前量子設(shè)備的能力所限制會(huì)令人沮喪，但Wiebe將這一挑戰(zhàn)視為機(jī)遇。

量子計(jì)算機(jī)特別擅長(zhǎng)同時(shí)考慮大量可能的組合，但現(xiàn)代設(shè)備中量子比特的不穩(wěn)定性會(huì)導(dǎo)致計(jì)算錯(cuò)誤

Wiebe說(shuō)：“嘈雜的量子電路會(huì)在計(jì)算中產(chǎn)生錯(cuò)誤。”?！坝?jì)算所需的量子位越多，就越容易出錯(cuò)?！?/p>

Wiebe和華盛頓大學(xué)的合作者開(kāi)發(fā)了新的算法來(lái)糾正某些類(lèi)型模擬中的這些錯(cuò)誤。

Wiebe說(shuō)：“這項(xiàng)工作提供了一種更廉價(jià)、更快的量子糾錯(cuò)方法。它可能使我們更接近于在短期量子硬件上演示量子場(chǎng)論量子模擬的計(jì)算有用示例?！?。

暗物質(zhì)與量子計(jì)算

雖然Wiebe試圖通過(guò)創(chuàng)建糾錯(cuò)算法來(lái)減少噪音，但物理學(xué)家BenLoer和他的同事們則著眼于環(huán)境來(lái)控制外部噪音源。

洛爾利用自己的背景，實(shí)現(xiàn)了超低水平的天然放射性，以尋找宇宙中暗物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，幫助防止量子位退相干。

洛爾說(shuō)：“來(lái)自環(huán)境的輻射，如伽馬射線(xiàn)和X射線(xiàn)，無(wú)處不在?！薄！坝捎诹孔颖忍胤浅Ｃ舾?，我們有一個(gè)想法，即這種輻射可能會(huì)干擾它們的量子態(tài)。”

布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人布倫特·范德文德（BrentVandevender）和同事約翰·奧雷爾（JohnOrrell）與麻省理工學(xué)院（MIT）和麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室的研究人員合作，使用鉛屏蔽來(lái)保護(hù)量子位免受輻射。他們?cè)O(shè)計(jì)了一種用于稀釋冰箱的屏蔽層，這種技術(shù)用于產(chǎn)生運(yùn)行超導(dǎo)量子位所需的略高于絕對(duì)零度的溫度。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)量子位元受到保護(hù)時(shí)，量子位元退相干降低。

雖然這是理解輻射如何影響量子計(jì)算的第一步，但勒爾計(jì)劃研究輻射如何干擾量子系統(tǒng)中的電路和基板。洛爾說(shuō)：“我們可以模擬和模擬這些量子相互作用，以幫助改進(jìn)量子器件的設(shè)計(jì)?！?。

洛爾在PNNL化學(xué)家馬文·沃納的幫助下，正在PNNL的淺層地下實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行他的鉛屏蔽稀釋冰箱研究

沃納說(shuō)：“如果我們開(kāi)發(fā)出一種性能不理想的量子設(shè)備，我們需要找出問(wèn)題所在?！??！巴ㄟ^(guò)屏蔽量子比特免受外部輻射，我們可以開(kāi)始描述設(shè)備中其他潛在噪聲源的特征。”