Wetenschappers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy zijn de eersten die met succes een atoomkern hebben gesimuleerd met behulp van een kwantumcomputer. De resultaten, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , demonstreren het vermogen van kwantumsystemen om kernfysische problemen te berekenen en als maatstaf te dienen voor toekomstige berekeningen.

kwantumcomputer, waarin berekeningen worden uitgevoerd op basis van de kwantumprincipes van materie, werd begin jaren tachtig voorgesteld door de Amerikaanse theoretisch natuurkundige Richard Feynman. In tegenstelling tot normale computerbits, de qubit-eenheden die door kwantumcomputers worden gebruikt, slaan informatie op in tweestatensystemen, zoals elektronen of fotonen, die worden beschouwd als in alle mogelijke kwantumtoestanden tegelijk (een fenomeen dat bekend staat als superpositie).

"Bij klassieke informatica, je schrijft in bits van nul en één, " zei Thomas Papenbrock, een theoretisch kernfysicus aan de Universiteit van Tennessee en ORNL die samen met ORNL kwantuminformatiespecialist Pavel Lougovski het project leidde. "Maar met een qubit, je kunt nul hebben, een, en elke mogelijke combinatie van nul en één, dus je krijgt een enorme reeks mogelijkheden om gegevens op te slaan."

In oktober 2017 begon het multidivisionele ORNL-team met het ontwikkelen van codes om simulaties uit te voeren op de IBM QX5 en de Rigetti 19Q kwantumcomputers via het Quantum Testbed Pathfinder-project van DOE, een poging om wetenschappelijke toepassingen op verschillende soorten kwantumhardware te verifiëren en te valideren. Met behulp van gratis beschikbare pyQuil-software, een bibliotheek ontworpen voor het produceren van programma's in de kwantuminstructietaal, de onderzoekers schreven een code die eerst naar een simulator werd gestuurd en vervolgens naar de cloudgebaseerde IBM QX5- en Rigetti 19Q-systemen.

Het team presteerde meer dan 700, 000 kwantumcomputermetingen van de energie van een deuteron, de kerngebonden toestand van een proton en een neutron. Uit deze metingen het team heeft de bindingsenergie van het deuteron geëxtraheerd - de minimale hoeveelheid energie die nodig is om het in deze subatomaire deeltjes te demonteren. Het deuteron is de eenvoudigste samengestelde atoomkern, waardoor het een ideale kandidaat is voor het project.

"Qubits zijn generieke versies van kwantum tweetoestandensystemen. Ze hebben om te beginnen geen eigenschappen van een neutron of een proton, " zei Lougovski. "We kunnen deze eigenschappen toewijzen aan qubits en ze vervolgens gebruiken om specifieke verschijnselen te simuleren - in dit geval bindende energie."

Een uitdaging bij het werken met deze kwantumsystemen is dat wetenschappers op afstand simulaties moeten uitvoeren en vervolgens op resultaten moeten wachten. ORNL computerwetenschappelijk onderzoeker Alex McCaskey en ORNL kwantuminformatieonderzoeker Eugene Dumitrescu voerden enkele metingen uit 8, 000 keer elk om de statistische nauwkeurigheid van hun resultaten te garanderen.

"Het is echt moeilijk om dit via internet te doen, "Zei McCaskey. "Dit algoritme is voornamelijk door de hardwareleveranciers zelf gedaan, en ze kunnen de machine echt aanraken. Ze draaien de knoppen om."

Het team ontdekte ook dat kwantumapparaten lastig worden om mee te werken vanwege inherente ruis op de chip, die de resultaten drastisch kunnen veranderen. McCaskey en Dumitrescu hebben met succes strategieën toegepast om hoge foutenpercentages te verminderen, zoals het kunstmatig toevoegen van meer ruis aan de simulatie om de impact te zien en af ​​te leiden wat de resultaten zouden zijn zonder ruis.

"Deze systemen zijn erg gevoelig voor ruis, " zei Gustaaf Jansen, een computationele wetenschapper in de Scientific Computing Group bij de Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), een DOE Office of Science User Facility bij ORNL. "Als deeltjes binnenkomen en de kwantumcomputer raken, het kan uw metingen echt scheeftrekken. Deze systemen zijn niet perfect, maar door met hen samen te werken, kunnen we de intrinsieke fouten beter begrijpen."

Bij de voltooiing van het project, de resultaten van het team op twee en drie qubits waren binnen 2 en 3 procent, respectievelijk, van het juiste antwoord op een klassieke computer, en de kwantumberekening werd de eerste in zijn soort in de kernfysische gemeenschap.

De proof-of-principle-simulatie maakt de weg vrij om in de toekomst veel zwaardere kernen met veel meer protonen en neutronen op kwantumsystemen te berekenen. Quantumcomputers hebben potentiële toepassingen in cryptografie, kunstmatige intelligentie, en weersvoorspellingen omdat elke extra qubit verstrikt raakt - of onlosmakelijk verbonden is - met de andere, exponentieel toenemen van het aantal mogelijke uitkomsten voor de gemeten toestand aan het einde. Dit zeer voordeel, echter, heeft ook nadelige effecten op het systeem omdat fouten ook exponentieel kunnen schalen met de probleemgrootte.

Papenbrock zei dat de hoop van het team is dat verbeterde hardware wetenschappers uiteindelijk in staat zal stellen problemen op te lossen die niet kunnen worden opgelost met traditionele krachtige computerbronnen - zelfs niet met die van het OLCF. In de toekomst, kwantumberekeningen van complexe kernen kunnen belangrijke details over de eigenschappen van materie ontrafelen, de vorming van zware elementen, en de oorsprong van het universum.

Resultaten van het onderzoek, getiteld "Cloud Quantum Computing van een atoomkern, " werden gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .