Eerste quantum-computersimulatie van een deuteron-kern

• Kernfysici hebben voor het eerst een atoomskeern gesimuleerd op een quantumcomputer.
• Het team schreef code die draaide op zowel de Rigetti 19Q als IBM QX5 quantum-processors via de cloud.
• Deze initiële resultaten banen de weg voor quantum-gedreven studies van zwaardere kernen via remote, cloud-gebaseerde quantum-bronnen.

Quantumcomputing gaat verder dan snelheid; het transformeert hoe machines informatie verwerken. Terwijl klassieke computers bits gebruiken die 0 of 1 zijn, kunnen quantum-bits (qubits) in een superpositie van beide staten tegelijkertijd bestaan, wat computationele mogelijkheden enorm uitbreidt.

Onderzoekers van Oak Ridge National Laboratory demonstreerden recentelijk deze kracht door een deuteron – een stabiele kern bestaande uit één proton en één neutron – te simuleren met cloud-gebaseerde quantum-processors.

Gebruikte tools

Het project begon eind 2017 met code ontworpen om complexe nucleaire simulaties uit te voeren op de Rigetti 19Q en IBM QX5 apparaten. Het gebruik van meerdere hardware-platforms hielp de resultaten valideren over verschillende quantum-architecturen.

Het team benutte de open-source Python-bibliotheek pyQuil – een tool voor het schrijven van quantum-instructietaal-programma's – om hardware-specifieke code te genereren die uitgevoerd werd op zowel Rigetti als IBM-machines.

Wat werd gemeten?

Met quantumcomputing voerden de onderzoekers meer dan 700.000 individuele metingen uit om de bindings- (of scheidings-) energie van de deuteron te bepalen – de minimumeenergie vereist om het te breken in een proton en een neutron.

Een deuteron, de gebonden toestand van een neutron (blauw) en een proton (rood). Afbeelding: Andy Sproles

De keuze voor de deuteron was strategisch: het is de eenvoudigste samengestelde kern, hoogst stabiel, en van nature rijk in zeewater, wat het een ideaal testcase maakt voor quantum-simulatie.

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

Hoewel qubits geen protonen of neutronen zijn, mappte het team nucleaire eigenschappen op quantum-bits om de deuteron's bindingsenergie te simuleren. Ze construeren een deuteron-Hamiltoniaanse met pionloze effectieve veldtheorie en gebruikten een variatieve golf-functie-ansatz gebaseerd op unitair gekoppelde-cluster-theorie. Door circuitdiepte te reduceren, paste alle operaties binnen de decoherentiestijd van het apparaat.

Uitdagingen

Het remote uitvoeren van simulaties introduceerde latentie, dus elke berekening werd 8.000 keer herhaald om statistische betrouwbaarheid te garanderen.

Quantum-processors zijn berucht om hun ruis. Externe verstoringen kunnen meetresultaten significant veranderen. Om dit te mitigeren, injecteerden de onderzoekers kunstmatige ruis en extrapoleerden resultaten naar de nul-ruis-limiet.

Resultaten en implicaties

Twee-qubit-simulaties op beide processoren produceerden consistente resultaten met kleine onzekerheden. Geëxtrapoleerd tot oneindige ruimte, lag de berekende bindingsenergie binnen 2% van de bekende deuteron-waarde.

Het toevoegen van een derde qubit verhoogde de complexiteit door verstrengelingsfouten, maar het geëxtrapoleerde resultaat bleef binnen 3% van de exacte waarde.

Deze successen tonen aan dat quantumcomputers eenvoudige nucleaire systemen nauwkeurig kunnen modelleren en wijzen op het potentieel voor bestudering van zwaardere kernen via cloud-gebaseerde quantum-toegang, wat diepere inzichten biedt in kernstructuur, elementvorming en de oorsprong van het universum.