Et nyt hybridskema fremskynder vejen til at simulere kernereaktioner på kvantecomputere

De nukleare reaktioner, der driver stjernerne og skaber grundstofferne, opstår fra vekselvirkningerne mellem de kvantemekaniske partikler, protoner og neutroner. At forklare disse processer er et af de mest udfordrende uløste problemer inden for beregningsfysik.

Efterhånden som massen af ​​de kolliderende kerner vokser, overgår de nødvendige ressourcer til at modellere dem selv de mest kraftfulde konventionelle computere. Kvantecomputere kunne udføre de nødvendige beregninger. Men de mangler i øjeblikket det nødvendige antal pålidelige og langlivede kvantebits.

Research, offentliggjort i Physical Review A , kombinerede konventionelle computere og kvantecomputere for betydeligt at fremskynde mulighederne for at løse dette problem.

Forskerne brugte succesfuldt hybridberegningsskemaet til at simulere spredningen af ​​to neutroner. Dette åbner en vej til at beregne nukleare reaktionshastigheder, der er svære eller umulige at måle i et laboratorium. Disse omfatter reaktionshastigheder, der spiller en rolle i astrofysik og national sikkerhed.

Hybridordningen vil også hjælpe med at simulere egenskaberne af andre kvantemekaniske systemer. For eksempel kunne det hjælpe forskere med at studere spredningen af ​​elektroner med kvantificerede atomvibrationer kendt som fononer, en proces, der ligger til grund for superledning.

Et team af forskere ved University of Washington, University of Trento, Advanced Quantum Testbed (AQT) og Lawrence Livermore National Laboratory foreslog en hybrid algoritme til simulering af (realtids) dynamikken i kvantemekaniske partiklers systemer.

I denne hybride tilgang udføres tidsudviklingen af ​​partiklernes rumlige koordinater på en klassisk processor, mens udviklingen af ​​deres spin-variable udføres på kvantehardware. Forskerne demonstrerede dette hybridskema ved at simulere spredningen af ​​to neutroner ved AQT.

Demonstrationen validerede princippet i det foreslåede sambehandlingsskema efter implementering af fejlbegrænsende strategier for at forbedre nøjagtigheden af ​​algoritmen og vedtagelse af teoretiske og eksperimentelle metoder til at belyse tabet af kvantekohærens.

Selv med enkelheden af ​​det demonstrationssystem, som dette projekt undersøgte, tyder resultaterne på, at en generalisering af det nuværende hybridskema kan give en lovende vej til simulering af kvantespredningsforsøg med en kvantecomputer.

Ved at udnytte fremtidige kvanteplatforme med længere kohærenstider og højere kvanteport-fidelities ville hybridalgoritmen muliggøre robust beregning af komplekse nukleare reaktioner, der er vigtige for astrofysik og teknologiske anvendelser af nuklear videnskab.

Flere oplysninger: F. Turro et al., Demonstration af en kvante-klassisk sambehandlingsprotokol til simulering af nukleare reaktioner, Physical Review A (2023). DOI:10.1103/PhysRevA.108.032417

Journaloplysninger: Fysisk gennemgang A

Leveret af det amerikanske energiministerium