以第一臺實用量子計算機為目標的競賽正在全面展開。全球各家公司、各國、合作者和競爭對手都在激烈爭奪量子霸權。谷歌說量子霸權已經出現了。量子霸權是什么意思？是怎么知道量子霸權是什么時候實現的呢？
利用經典計算機，PNNL（Pacific Northwest National Laboratory，美國太平洋西北國家實驗室）的計算科學家們已經定立了一個基準，一個量子系統需要超越這個基準才能叫在化學領域建立了量子霸權。
這是因為現在最快的經典計算機在模擬量子計算機最終能做什么方面越來越好。為了在真實世界中證明有用，量子計算機必須能夠超越傳統超級計算機的能力，而這，正是PNNL領導的團隊為量子計算機設定的基準。
PNNL的計算化學家卡羅爾·科瓦爾斯基（Karol Kowalski）說：“量子化學問題的經典模擬是量子計算機的一個目標。“當一臺量子計算機能夠超越我們最好的并行計算系統的計算性能時，量子計算開發人員就能知道他們下一步需要努力做什么研究。這是一個激勵創新的基準。”
最新的模擬計算基準，模擬了113個電子，是有史以來用經典計算機在此精度上模擬的最大量子系統。PNNL小組與匈牙利和捷克共和國的研究者合作，通過模擬固氮酶中一種重要化學結構來設定基準，固氮酶是一種將大氣中的氮轉化為可供植物使用的肥料的酶。這種酶之所以成為研究的熱點，是因為它可能是生產足夠糧食以養活不斷增長的全球人口的關鍵。
了解這種酶如何能夠在消耗很少能量的同時，打破氮的三鍵，可能是新催化劑設計的關鍵，最終降低肥料的生產成本，提供充足的肥料，目前肥料生產需要很多化學工藝，需要大量能量投入。
縮小量子化學問題
PNNL的高性能計算專家和量子計算首席科學家斯利拉姆·克里希納莫蒂（Sriram Krishnamoorthy）說：“擁有一臺可用的量子計算機可能真的會給復雜的量子化學領域帶來變化。”“我們正在研發將在量子計算機上運行的程序。““當量子計算機到來時，我們將做好準備”，克里希納莫蒂說。
克里希納莫蒂、科瓦爾斯基和他們的PNNL同事正在通過Northwest Quantum Nexus（西北量子網絡）與微軟的研究人員合作，既包括模擬量子計算機的工作方式，還有為可能在激烈的全球競爭中出現的任何量子計算機編寫工作程序。
科瓦爾斯基說：“分析具有挑戰性的、重要的分子系統需要量子計算機，傳統的計算機，包括當今最快的超級計算機，都不足以模擬這種量子計算機。”“理解化學體系和設計新材料需要更好的計算工具。”
在全尺寸量子計算機問世之前，PNNL團隊與微軟專家合作，在當前的數字計算機和下一代計算機之間架起一座橋梁。工作流程利用了經典計算機目前的優勢，同時利用目前的量子計算能力來描述與工業過程（如能源生產和能源儲存）相關的化學轉化。