量子计算机有望彻底改变研究人员解决计算难题的方式。这些计算机的设计是为了应对量子化学等基础研究领域的重大挑战。在目前的发展阶段，量子计算仍然对环境中的噪声和破坏性因素非常敏感。这使得量子计算变得“嘈杂”，因为量子比特或量子比特由于失去同步而丢失信息，这一过程称为退相干。

为了克服当前量子计算机的局限性，西北太平洋国家实验室（PNNL）的研究人员正在开发模拟，以提供量子计算机工作原理的一瞥。

PNNL计算机科学家Ang Li说：“当我们试图直接观察量子系统（如量子比特）的行为时，它们的量子态将崩溃。”。Li还是五个能源部国家量子信息科学研究中心中的量子科学中心和量子优势联合设计中心的研究员。“为了解决这个问题，我们使用模拟器来研究量子位及其与环境的相互作用。”

李和橡树岭国家实验室和微软的合作者利用高性能计算开发模拟真实量子设备的模拟器，以执行复杂的量子电路。最近，他们结合了两种不同类型的模拟来创建西北量子模拟器（NWQ Sim），以测试量子算法。

“在量子设备上测试量子算法速度慢，成本高。而且，有些算法对于当前的量子设备来说过于先进，”李说。“我们的量子模拟器可以帮助我们超越现有设备的限制，并测试更复杂系统的算法。”

量子计算机算法

多伦多大学PNNL联合任命者、华盛顿大学附属教授内森·维比（NathanWiebe）正在采取另一种策略，为量子计算机编写代码。虽然有时被当前量子设备的能力所限制会令人沮丧，但Wiebe将这一挑战视为机遇。

量子计算机特别擅长同时考虑大量可能的组合，但现代设备中量子比特的不稳定性会导致计算错误

Wiebe说：“嘈杂的量子电路会在计算中产生错误。”。“计算所需的量子位越多，就越容易出错。”

Wiebe和华盛顿大学的合作者开发了新的算法来纠正某些类型模拟中的这些错误。

Wiebe说：“这项工作提供了一种更廉价、更快的量子纠错方法。它可能使我们更接近于在短期量子硬件上演示量子场论量子模拟的计算有用示例。”。

暗物质与量子计算

虽然Wiebe试图通过创建纠错算法来减少噪音，但物理学家BenLoer和他的同事们则着眼于环境来控制外部噪音源。

洛尔利用自己的背景，实现了超低水平的天然放射性，以寻找宇宙中暗物质的实验证据，帮助防止量子位退相干。

洛尔说：“来自环境的辐射，如伽马射线和X射线，无处不在。”。“由于量子比特非常敏感，我们有一个想法，即这种辐射可能会干扰它们的量子态。”

布鲁克海文国家实验室

为了验证这一点，项目负责人布伦特·范德文德（BrentVandevender）和同事约翰·奥雷尔（JohnOrrell）与麻省理工学院（MIT）和麻省理工学院林肯实验室的研究人员合作，使用铅屏蔽来保护量子位免受辐射。他们设计了一种用于稀释冰箱的屏蔽层，这种技术用于产生运行超导量子位所需的略高于绝对零度的温度。他们发现，当量子位元受到保护时，量子位元退相干降低。

虽然这是理解辐射如何影响量子计算的第一步，但勒尔计划研究辐射如何干扰量子系统中的电路和基板。洛尔说：“我们可以模拟和模拟这些量子相互作用，以帮助改进量子器件的设计。”。

洛尔在PNNL化学家马文·沃纳的帮助下，正在PNNL的浅层地下实验室进行他的铅屏蔽稀释冰箱研究

沃纳说：“如果我们开发出一种性能不理想的量子设备，我们需要找出问题所在。”。“通过屏蔽量子比特免受外部辐射，我们可以开始描述设备中其他潜在噪声源的特征。”