Kärnreaktionerna som driver stjärnorna och skapar grundämnena uppstår från interaktionerna mellan kvantmekaniska partiklar, protoner och neutroner. Att förklara dessa processer är ett av de mest utmanande olösta problemen inom beräkningsfysik.
När massan av de kolliderande kärnorna växer, överträffar resurserna som krävs för att modellera dem även de mest kraftfulla konventionella datorerna. Kvantdatorer kunde utföra de nödvändiga beräkningarna. Emellertid saknar de för närvarande det erforderliga antalet pålitliga och långlivade kvantbitar.
Forskning, publicerad i Physical Review A , kombinerade konventionella datorer och kvantdatorer för att avsevärt påskynda möjligheterna att lösa detta problem.
Forskarna använde framgångsrikt hybridberäkningsschemat för att simulera spridningen av två neutroner. Detta öppnar en väg för att beräkna kärnreaktionshastigheter som är svåra eller omöjliga att mäta i ett laboratorium. Dessa inkluderar reaktionshastigheter som spelar en roll i astrofysik och nationell säkerhet.
Hybridsystemet kommer också att hjälpa till att simulera egenskaperna hos andra kvantmekaniska system. Det kan till exempel hjälpa forskare att studera spridningen av elektroner med kvantiserade atomvibrationer som kallas fononer, en process som ligger till grund för supraledning.
Ett team av forskare vid University of Washington, University of Trento, Advanced Quantum Testbed (AQT) och Lawrence Livermore National Laboratory föreslog en hybridalgoritm för simulering av (realtids)dynamiken hos kvantmekaniska system av partiklar.
I denna hybridmetod utförs tidsutvecklingen av partiklarnas rumsliga koordinater på en klassisk processor, medan utvecklingen av deras spinnvariabler utförs på kvanthårdvara. Forskarna demonstrerade detta hybridschema genom att simulera spridningen av två neutroner vid AQT.
Demonstrationen validerade principen för det föreslagna sambehandlingsschemat efter implementering av felreducerande strategier för att förbättra algoritmens noggrannhet och antagande av teoretiska och experimentella metoder för att klargöra förlusten av kvantkoherens.
Även med enkelheten i demonstrationssystemet som detta projekt studerade, tyder resultaten på att en generalisering av det nuvarande hybridschemat kan ge en lovande väg för att simulera kvantspridningsexperiment med en kvantdator.
Genom att utnyttja framtida kvantplattformar med längre koherenstider och högre kvantport-trohet skulle hybridalgoritmen möjliggöra robust beräkning av komplexa kärnreaktioner som är viktiga för astrofysik och tekniska tillämpningar av kärnvetenskap.
Mer information: F. Turro et al, Demonstration av ett kvantklassiskt sambehandlingsprotokoll för simulering av kärnreaktioner, Physical Review A (2023). DOI:10.1103/PhysRevA.108.032417
Journalinformation: Fysisk granskning A
Tillhandahålls av US Department of Energy
