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美国橡树岭国家实验室（ORNL）宣布，通过使用Quantinuum H1-1量子计算机，发现了在当前量子系统上提升太阳能电池效率的最佳算法。

该项目由美国能源部基础能源科学办公室资助。Quantinuum由霍尼韦尔和剑桥量子于2021年组建，H1-1是由它建造的商用量子计算机。

通过模拟单线态裂变，即分子吸收单个光子产生两种激发态，研究小组证实线性H4分子的能量水平符合裂变过程的要求。简单地说，线性H4分子是由四个以线性方式排列的氢原子组成的分子。分子的能级是参与单线态等现象（如单线态裂变）的每个量子态的能量，而线性分子的能量有利于单线态裂变，这对开发更高效的太阳能电池板来说很重要。

ORNL量子计算科学小组的研究科学家Daniel Claudino说：“这是单线态裂变背后的主要激励因素之一，理论上传统太阳能电池的最大效率约为33%。但据推测，单线态裂变的材料可以打破这一限制，并且能高速提效。然而找到某种材料是否表现出单线态裂变是非常困难的，因为有特定的能量要求，很难找到满足它的材料。”

凭借其高精度和可控的计算成本，ORNL团队使用量子计算机提供了一种有效的模拟方法，可以识别表现出单线态裂变特性的分子，并且准确率更高。其工作成果已发表在《物理化学快报》上。

单线态裂变是一种多态现象，因此ORNL团队需要一种计算方法，可以在相同的基础上描述所有过程的量子态，得到准确的结果。他们转向PDS，这是一种基于Peeters-Devreese-Soldatov（简称“PDS”）方法的量子求解器，由西北太平洋国家实验室开发。

与确定材料能量特性的经典策略相比，PDS具有一些优势，它比密度泛函理论的精度更高，比耦合聚类理论所需的计算更少。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。

Claudino说：“单线态裂变的能量围绕着双电子激发，即两个电子同时移动到更高的能级，这很难用传统计算机的算法来确定。但量子计算机可以自然地处理导致这种单线态裂变现象的量子相关性。众所周知，我们应该使用量子计算机来处理本质上是量子的东西，我们首先意识到它可以针对单线态裂变这个特定问题。”

与成熟的经典超级计算机相比，量子计算仍处于早期研发阶段，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比特不同，量子比特超越了1和0，在混合叠加态中同时使用1和0，从而成倍地增加了其对某些方程（例如基于量子力学）的处理能力。然而，量子计算机系统仍有较高的错误率，团队必须克服这一挑战才能获得可靠结果。

Claudino说：“在规避错误方面，最好有更多的测量以确保正确率，但这样我们就无法及时运行这个算法。为此我们想到了测量优化，将我们的计算规模降低到相对于计算时间方面的合理程度，这样我们就将令人望而生畏的东西变成了适合量子硬件运算的东西。”

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ORNL团队成员应用了三种独立方案来减少项目的计算工作量，从而将解决问题的时间从几个月缩短到几周。首先，他们减少了描述问题所需的量子比特数，从而减小了问题本身的大小。其次，他们通过测量一次术语组而不是测量每个组的每个单独项来解决问题。第三，他们不是单独实现每个电路，而是找到了一种并行运行四个电路的方法，允许他们使用H1-1中所有的20个量子比特。

Claudino说：“量子计算机并非适合解决所有问题，只是对于一些特定任务，它可以比传统计算机表现更好。不过它仍然受到当前技术水平的限制，只能达到一定的规模，执行任务的时间有限，这是转向量子计算机的主要瓶颈。”

对于可能影响日常生活的科学问题，ORNL团队的项目证明了利用当前量子计算机解决的可行性。例如“物质和光的相互作用” ，可以使用该项目中演示的量子计算技术来解决。

Claudino说：“我们使用的方法远未被广泛采用。现在我们为使用这种方法提供了强有力的理由。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。”

编译：卉可

编辑：慕一

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