Первая квантовая симуляция дейтронного ядра на квантовом компьютере

• Ядерные физики впервые смоделировали атомное ядро на квантовом компьютере.
• Команда написала код, запущенный на квантовых процессорах Rigetti 19Q и IBM QX5 через облако.
• Эти начальные результаты проложили путь для квантовых исследований более тяжёлых ядер через удалённые облачные квантовые ресурсы.

Квантовые вычисления выходят за рамки скорости; они трансформируют то, как машины обрабатывают информацию. Пока классические компьютеры используют биты, которые либо 0, либо 1, квантовые биты (кубиты) могут существовать в суперпозиции обоих состояний одновременно, бесконечно расширяя вычислительные возможности.

Исследователи Oak Ridge National Laboratory недавно продемонстрировали эту силу, смоделировав дейтрон — стабильное ядро из одного протона и одного нейтрона — используя облачные квантовые процессоры.

Использованные инструменты

Проект начался в конце 2017 года с кодом, спроектированным для запуска сложных ядерных симуляций на Rigetti 19Q и IBM QX5. Использование множественных аппаратных платформ помогло валидировать результаты на разных квантовых архитектурах.

Команда использовала открытую Python-библиотеку pyQuil — инструмент для написания программ квантового инструкционного языка — для генерации аппаратно-специфичного кода, исполняемого на Rigetti и IBM машинах.

Что измерялось?

Используя квантовые вычисления, исследователи выполнили более 700 000 индивидуальных измерений для определения энергии связи (или разделения) дейтрона — минимальной энергии, необходимой для разбиения его на протон и нейтрон.

Выбор дейтрона был стратегическим: это простое композитное ядро, высокостабильное, естественно обильное в морской воде, делая его идеальным тест-кейсом для квантовой симуляции.

Ссылка: Phys. Rev. Lett. 120, 210501 (2018) | Oak Ridge National Laboratory

Хотя кубиты не являются протонами или нейтронами, команда отобразила ядерные свойства на кубиты для симуляции энергии связи дейтрона. Они построили дейтроновый гамильтониан, используя безпионную эффективную теорию поля, и применили вариационный волновой функционал ансац, основанный на унитарной связанной кластерной теории. Уменьшая глубину схемы, все операции поместились в время декогеренции устройства.

Вызовы

Удалённый запуск симуляций ввёл задержку, поэтому каждый расчёт повторялся 8000 раз для статистической надёжности.

Квантовые процессоры носят шум. Внешние возмущения могут значительно изменять результаты измерений. Для смягчения этого исследователи внедряли искусственный шум и экстраполировали результаты к нулевому шуму.

Результаты и импликации

Двухкубитные симуляции на обоих процессорах дали согласованные результаты с малыми неопределённостями. Экстраполированные к бесконечному пространству, расчётная энергия связи была 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 тяжёлых ядер через облачный квантовый доступ, предлагая более глубокие инсайты в ядерную структуру, формирование элементов и происхождение Вселенной.