Wetenschap
Een nieuw hybride schema versnelt de weg naar het simuleren van kernreacties op kwantumcomputers
De kernreacties die de sterren aandrijven en de elementen smeden komen voort uit de interacties van de kwantummechanische deeltjes, protonen en neutronen. Het verklaren van deze processen is een van de meest uitdagende onopgeloste problemen in de computationele fysica.
Naarmate de massa van de botsende kernen groeit, overtreffen de middelen die nodig zijn om ze te modelleren zelfs de krachtigste conventionele computers. Kwantumcomputers zouden de nodige berekeningen kunnen uitvoeren. Momenteel voldoen ze echter niet aan het vereiste aantal betrouwbare kwantumbits met een lange levensduur.
Onderzoek, gepubliceerd in Physical Review A , conventionele computers en kwantumcomputers gecombineerd om de vooruitzichten om dit probleem op te lossen aanzienlijk te versnellen.
De onderzoekers hebben met succes het hybride computerschema gebruikt om de verstrooiing van twee neutronen te simuleren. Dit opent de weg naar het berekenen van nucleaire reactiesnelheden die moeilijk of onmogelijk te meten zijn in een laboratorium. Daartoe behoren reactiesnelheden die een rol spelen in de astrofysica en de nationale veiligheid.
Het hybride schema zal ook helpen bij het simuleren van de eigenschappen van andere kwantummechanische systemen. Het zou onderzoekers bijvoorbeeld kunnen helpen de verstrooiing van elektronen te bestuderen met gekwantiseerde atomaire trillingen die bekend staan als fononen, een proces dat ten grondslag ligt aan supergeleiding.
Een team van wetenschappers van de Universiteit van Washington, de Universiteit van Trento, het Advanced Quantum Testbed (AQT) en het Lawrence Livermore National Laboratory hebben een hybride algoritme voorgesteld voor de simulatie van de (real-time) dynamica van kwantummechanische systemen van deeltjes.
In deze hybride benadering wordt de tijdsevolutie van de ruimtelijke coördinaten van de deeltjes uitgevoerd op een klassieke processor, terwijl de evolutie van hun spinvariabelen wordt uitgevoerd op kwantumhardware. De onderzoekers demonstreerden dit hybride schema door de verstrooiing van twee neutronen bij de AQT te simuleren.
De demonstratie valideerde het principe van het voorgestelde co-verwerkingsschema na het implementeren van foutbeperkende strategieën om de nauwkeurigheid van het algoritme te verbeteren en het toepassen van theoretische en experimentele methoden om het verlies aan kwantumcoherentie op te helderen.
Zelfs met de eenvoud van het demonstratiesysteem dat dit project bestudeerde, suggereren de resultaten dat een generalisatie van het huidige hybride schema een veelbelovende route kan bieden voor het simuleren van kwantumverstrooiingsexperimenten met een kwantumcomputer.
Door gebruik te maken van toekomstige kwantumplatforms met langere coherentietijden en hogere betrouwbaarheid van de kwantumpoorten, zou het hybride algoritme de robuuste berekening mogelijk maken van complexe kernreacties die belangrijk zijn voor de astrofysica en technologische toepassingen van de nucleaire wetenschap.