以第一台实用量子计算机为目标的竞赛正在全面展开。全球各家公司、各国、合作者和竞争对手都在激烈争夺量子霸权。谷歌说量子霸权已经出现了。量子霸权是什么意思？是怎么知道量子霸权是什么时候实现的呢？

利用经典计算机，PNNL（Pacific Northwest National Laboratory，美国太平洋西北国家实验室）的计算科学家们已经定立了一个基准，一个量子系统需要超越这个基准才能叫在化学领域建立了量子霸权。

这是因为现在最快的经典计算机在模拟量子计算机最终能做什么方面越来越好。为了在真实世界中证明有用，量子计算机必须能够超越传统超级计算机的能力，而这，正是PNNL领导的团队为量子计算机设定的基准。

PNNL的计算化学家卡罗尔·科瓦尔斯基（Karol Kowalski）说：“量子化学问题的经典模拟是量子计算机的一个目标。“当一台量子计算机能够超越我们最好的并行计算系统的计算性能时，量子计算开发人员就能知道他们下一步需要努力做什么研究。这是一个激励创新的基准。”

最新的模拟计算基准，模拟了113个电子，是有史以来用经典计算机在此精度上模拟的最大量子系统。PNNL小组与匈牙利和捷克共和国的研究者合作，通过模拟固氮酶中一种重要化学结构来设定基准，固氮酶是一种将大气中的氮转化为可供植物使用的肥料的酶。这种酶之所以成为研究的热点，是因为它可能是生产足够粮食以养活不断增长的全球人口的关键。

了解这种酶如何能够在消耗很少能量的同时，打破氮的三键，可能是新催化剂设计的关键，最终降低肥料的生产成本，提供充足的肥料，目前肥料生产需要很多化学工艺，需要大量能量投入。

缩小量子化学问题

PNNL的高性能计算专家和量子计算首席科学家斯利拉姆·克里希纳莫蒂（Sriram Krishnamoorthy）说：“拥有一台可用的量子计算机可能真的会给复杂的量子化学领域带来变化。”“我们正在研发将在量子计算机上运行的程序。““当量子计算机到来时，我们将做好准备”，克里希纳莫蒂说。

克里希纳莫蒂、科瓦尔斯基和他们的PNNL同事正在通过Northwest Quantum Nexus（西北量子网络）与微软的研究人员合作，既包括模拟量子计算机的工作方式，还有为可能在激烈的全球竞争中出现的任何量子计算机编写工作程序。

科瓦尔斯基说：“分析具有挑战性的、重要的分子系统需要量子计算机，传统的计算机，包括当今最快的超级计算机，都不足以模拟这种量子计算机。”“理解化学体系和设计新材料需要更好的计算工具。”

在全尺寸量子计算机问世之前，PNNL团队与微软专家合作，在当前的数字计算机和下一代计算机之间架起一座桥梁。工作流程利用了经典计算机目前的优势，同时利用目前的量子计算能力来描述与工业过程（如能源生产和能源储存）相关的化学转化。