Первое квантово-компьютерное моделирование ядра дейтрона

• Физики-ядерщики впервые смоделировали атомное ядро на квантовом компьютере.
• Команда написала код, который работал на квантовых процессорах Rigetti 19Q и IBM QX5, доступ к которым осуществляется через облако.
• Эти первоначальные результаты открывают путь к квантовым исследованиям более тяжелых ядер с помощью удаленных облачных квантовых ресурсов.

Квантовые вычисления выходят за рамки скорости; он меняет способ обработки информации машинами. В то время как классические компьютеры используют биты, равные 0 или 1, квантовые биты (кубиты) могут существовать в суперпозиции обоих состояний одновременно, что значительно расширяет вычислительные возможности.

Исследователи Окриджской национальной лаборатории недавно продемонстрировали эту силу, смоделировав дейтрон — стабильное ядро, состоящее из одного протона и одного нейтрона, — с помощью облачных квантовых процессоров.

Используемые инструменты

Проект начался в конце 2017 года с кода, предназначенного для запуска сложного ядерного моделирования на устройствах Rigetti 19Q и IBM QX5. Использование нескольких аппаратных платформ помогло проверить результаты на разных квантовых архитектурах.

Команда использовала библиотеку Python с открытым исходным кодом pyQuil. — инструмент для написания программ на языке квантовых команд — для генерации аппаратно-зависимого кода, который выполнялся как на машинах Rigetti, так и на машинах IBM.

Что было измерено?

Используя квантовые вычисления, исследователи выполнили более 700 000 отдельных измерений, чтобы определить энергию связи (или разделения) дейтрона — минимальную энергию, необходимую для его расщепления на протон и нейтрон.

Дейтрон, связанное состояние нейтрона (синий) и протона (красный). Изображение предоставлено:Энди Спролс

Выбор дейтрона был стратегическим:это простейшее составное ядро, очень стабильное и естественным образом содержащееся в морской воде, что делает его идеальным тестом для квантового моделирования.

Ссылка:Phys. Преподобный Летт. 120, 210501 (2018) | Окриджская национальная лаборатория

Хотя кубиты не являются протонами или нейтронами, команда сопоставила ядерные свойства с квантовыми битами, чтобы смоделировать энергию связи дейтрона. Они построили гамильтониан дейтрона, используя беспионную эффективную теорию поля, и применили анзац вариационной волновой функции, основанный на теории унитарных связанных кластеров. За счет уменьшения глубины схемы все операции укладываются во время декогеренции устройства.

Проблемы

Дистанционное моделирование приводило к задержке, поэтому каждое вычисление повторялось 8000 раз для обеспечения статистической надежности.

Квантовые процессоры общеизвестно шумны. Внешние возмущения могут существенно изменить результаты измерений. Чтобы смягчить это явление, исследователи ввели искусственный шум и экстраполировали результаты до предела нулевого шума.

Результаты и последствия

Двухкубитное моделирование на обоих процессорах дало согласованные результаты с небольшими погрешностями. При экстраполяции в бесконечное пространство рассчитанная энергия связи находилась в пределах 2% от известного значения дейтрона.

Добавление третьего кубита увеличило сложность из-за ошибок запутанности, но экстраполированный результат остался в пределах 3 % от точного значения.

Эти успехи демонстрируют, что квантовые компьютеры могут точно моделировать простые ядерные системы и намекают на потенциал изучения более тяжелых ядер с помощью облачного квантового доступа, предлагая более глубокое понимание структуры ядра, формирования элементов и происхождения Вселенной.