利用QuantinuumH1-1量子计算机的全部功能，能源部橡树岭国家实验室的研究人员不仅展示了当前量子系统科学计算的最佳实践，而且还得出了有趣的科学结果。

通过对单线态裂变(其中分子吸收单个光子产生两个激发态)进行建模，该团队证实线性H4分子的能量水平符合裂变过程的要求。简单来说，直链H4分子是由四个以直链方式排列的氢原子构成的分子。

分子的能级是单线态裂变等现象中涉及的每个量子态的能量，以及它们如何相互关联和比较。线性分子的能量水平有利于单线态裂变这一事实可能被证明是开发更高效太阳能电池板的整体努力中有用的知识。

Daniel表示：“这是单线态裂变背后的主要推动因素之一，传统太阳能电池的理论最大效率约为33%，但据推测，表现出单线态裂变的材料可以突破这一限制，并且效率更高。”克劳迪诺(Claudino)是橡树岭国家实验室量子计算科学小组的研究科学家，也是该项目的首席研究员。“缺点是从根本上了解某种材料是否表现出单线态裂变非常困难。存在特定的能量要求，并且很难找到满足它的材料。”

凭借其高精度和可管理的计算成本，橡树岭国家实验室团队使用量子计算机的方法提供了一种有效的模拟方法来识别具有单线态裂变特性的分子，同时绕过了经典计算机技术中常见的近似。其工作结果发表在《物理化学快报》杂志上。

单线态裂变是一种多态现象，因此橡树岭国家实验室团队需要一种计算方法，能够平等地描述该过程的所有量子态，以计算准确的能量数。他们转向PDS，这是一种基于Peeters-Devreese-Soldatov方法的量子求解器，由太平洋西北国家实验室开发。

与确定材料能量特性的经典策略相比，PDS具有一些优势，包括比密度泛函理论更高的精度以及比耦合簇理论更少的计算需求。而且，由于PDS的开发是为了提高量子化学模拟的准确性和效率，因此非常适合利用量子计算机的潜在优势。

克劳迪诺说：“单线态裂变的能量围绕着双电子激发——两个电子同时提升两个更高的能级，这很难用传统计算机的算法来确定。”

“但是量子计算机工作的基本方式是，它可以自然地处理引起这种单线态裂变现象的量子相关性。就在那时我们意识到，‘是的，我们应该使用量子计算机来处理那些本质上是量子的。”这是众所周知的。但我认为我们是第一个意识到它可以解决这个特定问题的人。”

H1-1是一款由Quantinuum(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。

与OLCF的百亿亿级Frontier等经典超级计算机相比，量子计算是一项仍处于形成阶段的技术，它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，还可以在混合叠加中同时使用1和0，从而以指数方式提高其对某些方程(例如基于量子力学的方程)的处理能力。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才能获得可靠的结果。

克劳迪诺说：“为了避免错误，最好进行更多测量，以确保安全，但这样我们就无法及时运行该算法。”

“就在那时，我们提出了测量优化，将我们的计算规模缩小到计算时间方面合理的水平。我们从大得令人望而却步的东西变成了适合量子硬件的东西。”

ORNL团队成员应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缩短到几周。首先，在一种称为量子比特逐渐减少的技术中，他们减少了表达问题所需的量子比特数量，从而减小了问题本身的规模。其次，他们通过一次测量术语组而不是测量每个组中的每个单独术语来减少测量次数来解决问题。第三，他们没有单独实现每个电路，而是找到了一种并行运行四个电路的方法，从而允许他们使用H1-1中的所有20个量子位。

“我们意识到，如果我们想将整个东西扔进量子计算机中，它是行不通的，因为它对于当前的技术来说仍然太多了。我们的想法是，你想要设想一种利用量子计算机的方法，但是仅对于我们知道它们可以比传统计算机执行得更好的特定任务，”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，它只允许我们达到一定的规模或执行只需要这么长时间的任务。这是转向量子计算机时的主要瓶颈。”

橡树岭国家实验室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。尽管克劳迪诺预计不会很快再次解决单线态裂变，但他的团队正在考虑其他问题，例如“物质和光的方向”，这些问题可以使用该项目中演示的量子计算技术来解决。

尽管我们使用的方法之前已经发表过，但我想说它们还远没有被广泛采用。我认为我们为使用此类方法提供了强有力的理由，”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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标签：量子计算机单线