Kernfysikere springer ind i kvanteberegning med første simuleringer af atomkerne

Forskere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory er de første til med succes at simulere en atomkerne ved hjælp af en kvantecomputer. Resultaterne, udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , demonstrere kvantesystemers evne til at beregne atomfysiske problemer og tjene som et benchmark for fremtidige beregninger.

Quantum computing, hvor beregninger udføres baseret på kvanteprincipper for stof, blev foreslået af den amerikanske teoretiske fysiker Richard Feynman i begyndelsen af ​​1980'erne. I modsætning til normale computer bits, kvbit-enheder, der bruges af kvantecomputere, gemmer information i to-statssystemer, såsom elektroner eller fotoner, der anses for at være i alle mulige kvantetilstande på én gang (et fænomen kendt som superposition).

"I klassisk computing, du skriver i nul og et, "sagde Thomas Papenbrock, en teoretisk atomfysiker ved University of Tennessee og ORNL, der ledede projektet sammen med ORNL-kvanteinformationsspecialist Pavel Lougovski. "Men med en qubit, du kan have nul, en, og enhver mulig kombination af nul og en, så du får et stort sæt muligheder for at gemme data. "

I oktober 2017 begyndte det multidivisionelle ORNL -team at udvikle koder til at udføre simuleringer på IBM QX5 og Rigetti 19Q -kvantecomputere gennem DOE's Quantum Testbed Pathfinder -projekt, et forsøg på at verificere og validere videnskabelige applikationer på forskellige kvantehardwaretyper. Brug af frit tilgængelig pyQuil -software, et bibliotek designet til at producere programmer i kvanteundervisningssproget, forskerne skrev en kode, der først blev sendt til en simulator og derefter til de skybaserede IBM QX5 og Rigetti 19Q-systemer.

Holdet udførte mere end 700, 000 kvanteberegningsmålinger af energien i et deuteron, nukleare bunden af ​​en proton og en neutron. Ud fra disse målinger, holdet hentede deuteronets bindingsenergi - den mindste mængde energi, der er nødvendig for at skille den ad i disse subatomære partikler. Deuteron er den enkleste sammensatte atomkerne, gør det til en ideel kandidat til projektet.

"Qubits er generiske versioner af kvante tostatssystemer. De har ingen egenskaber ved en neutron eller en proton til at starte med, "Sagde Lougovski." Vi kan kortlægge disse egenskaber til qubits og derefter bruge dem til at simulere specifikke fænomener - i dette tilfælde, bindende energi. "

En udfordring ved at arbejde med disse kvantesystemer er, at forskere skal køre simuleringer på afstand og derefter vente på resultater. ORNL datalogiforsker Alex McCaskey og ORNL kvanteinformationsforskningsforsker Eugene Dumitrescu kørte enkeltmålinger 8, 000 gange hver for at sikre den statistiske nøjagtighed af deres resultater.

"Det er virkelig svært at gøre dette over internettet, "Sagde McCaskey." Denne algoritme er primært blevet udført af hardwareleverandørerne selv, og de kan faktisk røre ved maskinen. De drejer på knapperne. "

Teamet fandt også ud af, at kvanteenheder bliver vanskelige at arbejde med på grund af iboende støj på chippen, som kan ændre resultaterne drastisk. McCaskey og Dumitrescu har med succes anvendt strategier til at afbøde høje fejlrater, såsom kunstigt at tilføje mere støj til simuleringen for at se dens indvirkning og udlede, hvad resultaterne ville blive med nulstøj.

"Disse systemer er virkelig modtagelige for støj, "sagde Gustav Jansen, en beregningsforsker i gruppen Scientific Computing på Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), en DOE Office of Science brugerfacilitet placeret på ORNL. "Hvis der kommer partikler ind og rammer kvantecomputeren, det kan virkelig skæve dine målinger. Disse systemer er ikke perfekte, men i arbejdet med dem, vi kan få en bedre forståelse af de iboende fejl. "

Ved projektets afslutning, holdets resultater på to og tre qubits var inden for 2 og 3 procent, henholdsvis, det korrekte svar på en klassisk computer, og kvanteberegningen blev den første af sin art i det atomfysiske samfund.

Princip-proof-simuleringen baner vej for at beregne meget tungere kerner med mange flere protoner og neutroner på kvantesystemer i fremtiden. Kvantecomputere har potentielle applikationer inden for kryptografi, kunstig intelligens, og vejrudsigter, fordi hver ekstra qubit bliver viklet ind - eller knyttet uløseligt - til de andre, eksponentielt at øge antallet af mulige udfald for den målte tilstand i slutningen. Denne fordel, imidlertid, har også negative virkninger på systemet, fordi fejl også kan skalere eksponentielt med problemstørrelse.

Papenbrock sagde, at teamets håb er, at forbedret hardware i sidste ende vil gøre det muligt for forskere at løse problemer, der ikke kan løses på traditionelle højtydende computereessourcer-ikke engang på dem på OLCF. I fremtiden, kvanteberegninger af komplekse kerner kunne opklare vigtige detaljer om egenskaberne af stof, dannelsen af ​​tunge elementer, og universets oprindelse.

Resultater fra undersøgelsen, med titlen "Cloud Quantum Computing of a Atomic Nucleus, "blev offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve .