Forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory är de första som framgångsrikt simulerar en atomkärna med hjälp av en kvantdator. Resultaten, publicerad i Fysiska granskningsbrev , visa kvantsystems förmåga att beräkna kärnfysiska problem och fungera som riktmärke för framtida beräkningar.

Quantum computing, där beräkningar utförs baserade på materiens kvantprinciper, föreslogs av den amerikanske teoretiske fysikern Richard Feynman i början av 1980-talet. Till skillnad från vanliga datorbitar, qubit-enheterna som används av kvantdatorer lagrar information i tvåtillståndssystem, såsom elektroner eller fotoner, som anses vara i alla möjliga kvanttillstånd på en gång (ett fenomen som kallas superposition).

"Inom klassisk datoranvändning, du skriver i bitar av noll och ett, sa Thomas Papenbrock, en teoretisk kärnfysiker vid University of Tennessee och ORNL som ledde projektet tillsammans med ORNLs kvantinformationsspecialist Pavel Lougovski. "Men med en qubit, du kan ha noll, ett, och alla möjliga kombinationer av noll och ett, så du får en stor uppsättning möjligheter att lagra data."

I oktober 2017 började det multidivisionella ORNL-teamet utveckla koder för att utföra simuleringar på IBM QX5 och Rigetti 19Q kvantdatorer genom DOE:s Quantum Testbed Pathfinder-projekt, ett försök att verifiera och validera vetenskapliga tillämpningar på olika kvanthårdvarutyper. Genom att använda fritt tillgänglig pyQuil-programvara, ett bibliotek designat för att producera program i kvantinstruktionsspråket, forskarna skrev en kod som skickades först till en simulator och sedan till de molnbaserade systemen IBM QX5 och Rigetti 19Q.

Teamet uppträdde mer än 700, 000 kvantberäkningsmätningar av energin hos en deuteron, det nukleärt bundna tillståndet för en proton och en neutron. Från dessa mätningar, teamet extraherade deuteronets bindningsenergi - den minsta mängd energi som behövs för att demontera den till dessa subatomära partiklar. Deuteronet är den enklaste sammansatta atomkärnan, vilket gör det till en idealisk kandidat för projektet.

"Qubits är generiska versioner av tvåtillståndskvantsystem. De har inga egenskaper hos en neutron eller en proton till att börja med, ", sa Lougovski. "Vi kan mappa dessa egenskaper till qubits och sedan använda dem för att simulera specifika fenomen – i det här fallet, bindande energi."

En utmaning med att arbeta med dessa kvantsystem är att forskare måste köra simuleringar på distans och sedan vänta på resultat. ORNL datavetenskapsforskaren Alex McCaskey och ORNL kvantinformationsforskaren Eugene Dumitrescu gjorde enstaka mätningar 8, 000 gånger vardera för att säkerställa den statistiska noggrannheten av deras resultat.

"Det är verkligen svårt att göra det här över internet, ", sa McCaskey. "Denna algoritm har framför allt gjorts av hårdvaruleverantörerna själva, och de kan faktiskt röra vid maskinen. De vrider på rattarna."

Teamet fann också att kvantenheter blir svåra att arbeta med på grund av inneboende brus på chipet, vilket kan förändra resultatet drastiskt. McCaskey och Dumitrescu använde framgångsrikt strategier för att mildra höga felfrekvenser, som att på konstgjord väg lägga till mer brus till simuleringen för att se dess effekt och härleda vad resultatet skulle bli med noll brus.

"Dessa system är verkligen känsliga för buller, sa Gustav Jansen, en beräkningsforskare i Scientific Computing Group vid Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), en DOE Office of Science User Facility belägen på ORNL. "Om partiklar kommer in och träffar kvantdatorn, det kan verkligen skeva dina mått. Dessa system är inte perfekta, men när jag arbetar med dem, vi kan få en bättre förståelse för de inneboende felen."

Vid slutförandet av projektet, lagets resultat på två och tre qubits låg inom 2 och 3 procent, respektive, av rätt svar på en klassisk dator, och kvantberäkningen blev den första i sitt slag inom kärnfysikgemenskapen.

Principbevis-simuleringen banar väg för att beräkna mycket tyngre kärnor med många fler protoner och neutroner på kvantsystem i framtiden. Kvantdatorer har potentiella tillämpningar inom kryptografi, artificiell intelligens, och väderprognoser eftersom varje extra qubit blir intrasslad – eller oupplösligt knuten till de andra, exponentiellt öka antalet möjliga utfall för det uppmätta tillståndet i slutet. Just denna fördel, dock, har också negativa effekter på systemet eftersom fel också kan skala exponentiellt med problemstorlek.

Papenbrock sa att lagets förhoppning är att förbättrad hårdvara så småningom kommer att göra det möjligt för forskare att lösa problem som inte kan lösas med traditionella högpresterande datorresurser – inte ens på de på OLCF. I framtiden, kvantberäkningar av komplexa kärnor kan reda ut viktiga detaljer om materiens egenskaper, bildandet av tunga element, och universums ursprung.

Resultat från studien, med titeln "Cloud Quantum Computing of an Atomic Nucleus, " publicerades i Fysiska granskningsbrev .