Eerste kwantumcomputersimulatie van een Deuteronkern

• Kernfysici hebben voor het eerst een atoomkern op een kwantumcomputer gesimuleerd.
• Het team schreef code die draaide op zowel de Rigetti 19Q als de IBM QX5-kwantumprocessors die toegankelijk zijn via de cloud.
• Deze eerste resultaten maken de weg vrij voor kwantumgestuurde studies van zwaardere kernen met behulp van afgelegen, cloudgebaseerde kwantumbronnen.

Kwantumcomputing gaat verder dan snelheid; het transformeert de manier waarop machines informatie verwerken. Terwijl klassieke computers bits gebruiken die 0 of 1 zijn, kunnen kwantumbits (qubits) bestaan in een superpositie van beide toestanden tegelijkertijd, waardoor de rekenmogelijkheden enorm worden uitgebreid.

Onderzoekers van Oak Ridge National Laboratory hebben deze kracht onlangs gedemonstreerd door een deuteron (een stabiele kern gemaakt van één proton en één neutron) te simuleren met behulp van cloudgebaseerde kwantumprocessors.

Gebruikte tools

Het project begon eind 2017 met code die was ontworpen om complexe nucleaire simulaties uit te voeren op de Rigetti 19Q- en IBM QX5-apparaten. Het gebruik van meerdere hardwareplatforms hielp bij het valideren van de resultaten in verschillende kwantumarchitecturen.

Het team maakte gebruik van de open source Python-bibliotheek pyQuil —een hulpmiddel voor het schrijven van kwantuminstructietaalprogramma's — om hardwarespecifieke code te genereren die werd uitgevoerd op zowel Rigetti- als IBM-machines.

Wat is er gemeten?

Met behulp van kwantumcomputers voerden de onderzoekers meer dan 700.000 individuele metingen uit om de bindings- (of scheidings-)energie van het deuteron te bepalen:de minimale energie die nodig is om het in een proton en een neutron te splitsen.

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

De keuze voor het deuteron was strategisch:het is de eenvoudigste samengestelde kern, zeer stabiel en van nature overvloedig aanwezig in zeewater, waardoor het een ideale testcase is voor kwantumsimulatie.

Referentie:Phys. Ds. Lett. 120, 210501 (2018) | Oak Ridge Nationaal Laboratorium

Hoewel qubits geen protonen of neutronen zijn, heeft het team nucleaire eigenschappen in kaart gebracht op kwantumbits om de bindingsenergie van het deuteron te simuleren. Ze construeerden een deuteron Hamiltoniaan met behulp van pionloze effectieve veldtheorie en gebruikten een variatiegolffunctie-ansatz gebaseerd op unitaire gekoppelde clustertheorie. Door de circuitdiepte te verkleinen, passen alle handelingen binnen de decoherentietijd van het apparaat.

Uitdagingen aangegaan

Het op afstand uitvoeren van de simulaties zorgde voor latentie, zodat elke berekening 8000 keer werd herhaald om de statistische betrouwbaarheid te garanderen.

Kwantumprocessors zijn notoir luidruchtig. Externe verstoringen kunnen de meetresultaten aanzienlijk veranderen. Om dit te verzachten, injecteerden de onderzoekers kunstmatig geluid en extrapoleerden ze de resultaten naar de nullimiet.

Resultaten en implicaties

Simulaties met twee qubits op beide processors leverden consistente resultaten op met kleine onzekerheden. Wanneer geëxtrapoleerd naar de oneindige ruimte, lag de berekende bindingsenergie binnen 2% van de bekende deuteronwaarde.

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

Deze successen tonen aan dat kwantumcomputers eenvoudige nucleaire systemen nauwkeurig kunnen modelleren en wijzen op het potentieel voor het bestuderen van zwaardere kernen via kwantumtoegang in de cloud, waardoor diepere inzichten worden geboden in de nucleaire structuur, elementvorming en de oorsprong van het universum.