美国能源部橡树岭国家实验室的研究团队充分发挥了量子H1-1量子计算机的潜力，不仅展示了在现有量子系统上进行科学计算的最佳实践，还取得了引人注目的科学成果。
通过模拟单线态裂变现象——即一个分子吸收一个光子后产生两个激发态——研究小组确认了线性H4分子的能量水平符合裂变过程的要求。简单来说，线性H4分子是由四个氢原子以线性方式排列而成的。
分子的能量水平指的是在某种现象（如单线态裂变）中涉及的每个量子态的能量，以及它们之间的关系和比较。线性分子的能量水平有利于单线态裂变，这一发现可能在开发更高效的太阳能电池板方面提供重要的参考。
“单线态裂变是推动这一研究的主要动力之一——传统太阳能电池的理论最大效率约为33%，而表现出单线态裂变特性的材料有潜力突破这一限制，提高效率，”ORNL量子计算科学小组的首席研究员丹尼尔·克劳迪诺表示。“然而，根本上理解某种材料是否表现出单线态裂变是非常复杂的，因为存在特定的能量需求，找到满足这一需求的材料并不容易。”
ORNL团队采用量子计算机的方法具有较高的精度和可控的计算成本，提供了一种有效的模拟手段来识别具有单线态裂变特性的分子，避免了传统计算机中常用的近似方法。他们的研究成果已发表在《物理化学快报》上。
由于单线态裂变是一种多态现象，ORNL团队需要一种能够平等描述该过程所有量子态的计算方法，以获得准确的能量数据。他们选择了PDS，这是一种基于彼得斯-德弗雷斯-索尔达托夫方法的量子求解器，由太平洋西北国家实验室开发。
在确定材料的能量特性方面，PDS相较于经典策略具有一些优势，包括比密度泛函理论更高的精度和比耦合簇理论更低的计算需求。此外，PDS是为了提高量子化学模拟的准确性和效率而设计的，因此非常适合利用量子计算机的潜在优势。
“单线态裂变的能量学涉及双重电子激发——两个电子同时跃迁到更高的能级，这在传统计算机算法中很难实现，”克劳迪诺指出。
“量子计算机的基本工作原理使其能够自然处理导致单线态裂变现象的量子相关性。我们意识到，‘是的，我们应该用量子计算机来处理本质上是量子的事物。’这是众所周知的，但我认为我们是第一个意识到它可以应用于这个特定问题的人。”
H1-1是由量子公司（前身为霍尼韦尔）制造的企业级量子计算机，由美国能源部科学办公室的用户设施橡树岭领导的量子计算用户计划提供支持。
量子计算是一种仍在发展中的技术，与经典超级计算机（如OLCF的百亿亿级frontier）相比，利用量子比特进行计算。与经典计算机使用的二进制位不同，量子位能够在1和0之间进行混合叠加，从而以指数级提高对某些方程（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面临较高的错误率，团队必须克服这一挑战以获得可靠的结果。
克劳迪诺表示：“在规避错误方面，为了安全起见，最好进行更多的测量，但这会影响算法的运行效率。”
“因此，我们考虑了测量优化，将计算规模缩小到合理的时间范围。我们将一个庞大的问题转变为适合量子硬件的小规模问题。”
ORNL团队采用了三种独立策略来减少计算工作量，从而将解决问题的时间从几个月缩短到几周。首先，他们在一种称为量子位逐渐变细的技术中，减少了表达问题所需的量子位数量，从而减小了问题的规模。其次，他们通过一次测量一组术语来解决问题，而不是测量每组中的每个单独术语。最后，他们没有单独实现每个电路，而是找到了一种方法，使四个电路并行运行，从而充分利用H1-1中的20个量子位。
“我们意识到，如果想将整个问题放入量子计算机中，这是不可行的，因为对于当前技术而言，问题规模仍然过大。我们的想法是设想一种利用量子计算机的方法，但仅限于我们知道量子计算机在特定任务上表现更好的情况，”克劳迪诺说。
“然而，即便如此，仍然受到当前技术水平的限制，这些技术只能让我们达到一定的规模，或者执行需要较长时间的任务。这是转向量子计算机的主要瓶颈。”
ORNL团队的项目证明了当前量子计算机在解决可能影响日常生活的科学问题方面的可行性。尽管克劳迪诺并不认为能很快解决单线态裂变问题，但他的团队正在考虑其他问题，例如“物质与光的相互作用”，这些问题可能会通过量子计算技术在该项目中得到解决。
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