量子計算機有望徹底改變研究人員解決計算難題的方式。這些計算機的設(shè)計是為了應(yīng)對量子化學(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，量子計算仍然對環(huán)境中的噪聲和破壞性因素非常敏感。這使得量子計算變得“嘈雜”，因為量子比特或量子比特由于失去同步而丟失信息，這一過程稱為退相干。

為了克服當(dāng)前量子計算機的局限性，西北太平洋國家實驗室（PNNL）的研究人員正在開發(fā)模擬，以提供量子計算機工作原理的一瞥。

PNNL計算機科學(xué)家Ang Li說：“當(dāng)我們試圖直接觀察量子系統(tǒng)（如量子比特）的行為時，它們的量子態(tài)將崩潰。”。Li還是五個能源部國家量子信息科學(xué)研究中心中的量子科學(xué)中心和量子優(yōu)勢聯(lián)合設(shè)計中心的研究員?！盀榱私鉀Q這個問題，我們使用模擬器來研究量子位及其與環(huán)境的相互作用。”

李和橡樹嶺國家實驗室和微軟的合作者利用高性能計算開發(fā)模擬真實量子設(shè)備的模擬器，以執(zhí)行復(fù)雜的量子電路。最近，他們結(jié)合了兩種不同類型的模擬來創(chuàng)建西北量子模擬器（NWQ Sim），以測試量子算法。

“在量子設(shè)備上測試量子算法速度慢，成本高。而且，有些算法對于當(dāng)前的量子設(shè)備來說過于先進(jìn)，”李說。“我們的量子模擬器可以幫助我們超越現(xiàn)有設(shè)備的限制，并測試更復(fù)雜系統(tǒng)的算法?！?/p>

量子計算機算法

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，為量子計算機編寫代碼。雖然有時被當(dāng)前量子設(shè)備的能力所限制會令人沮喪，但Wiebe將這一挑戰(zhàn)視為機遇。

量子計算機特別擅長同時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)定性會導(dǎo)致計算錯誤

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

Wiebe和華盛頓大學(xué)的合作者開發(fā)了新的算法來糾正某些類型模擬中的這些錯誤。

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

暗物質(zhì)與量子計算

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

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

洛爾說：“來自環(huán)境的輻射，如伽馬射線和X射線，無處不在。”。“由于量子比特非常敏感，我們有一個想法，即這種輻射可能會干擾它們的量子態(tài)。”

布魯克海文國家實驗室

為了驗證這一點，項目負(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)院林肯實驗室的研究人員合作，使用鉛屏蔽來保護量子位免受輻射。他們設(shè)計了一種用于稀釋冰箱的屏蔽層，這種技術(shù)用于產(chǎn)生運行超導(dǎo)量子位所需的略高于絕對零度的溫度。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)量子位元受到保護時，量子位元退相干降低。

雖然這是理解輻射如何影響量子計算的第一步，但勒爾計劃研究輻射如何干擾量子系統(tǒng)中的電路和基板。洛爾說：“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?！?。

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

沃納說：“如果我們開發(fā)出一種性能不理想的量子設(shè)備，我們需要找出問題所在?！?。“通過屏蔽量子比特免受外部輻射，我們可以開始描述設(shè)備中其他潛在噪聲源的特征?！?/p>