首次对氘核进行量子计算机模拟
- 核物理学家首次在量子计算机上模拟了原子核。
- 该团队编写的代码可在通过云访问的 Rigetti 19Q 和 IBM QX5 量子处理器上运行。
- 这些初步结果为通过远程、基于云的量子资源对较重原子核进行量子驱动的研究铺平了道路。
量子计算超越了速度；它改变了机器处理信息的方式。虽然经典计算机使用 0 或 1 的位，但量子位（qubit）可以同时存在于两种状态的叠加中，从而极大地扩展了计算可能性。
橡树岭国家实验室的研究人员最近通过使用基于云的量子处理器模拟氘核（一种由一个质子和一个中子组成的稳定原子核）展示了这种能力。
使用的工具
该项目于 2017 年底启动，其代码旨在在 Rigetti 19Q 和 IBM QX5 设备上运行复杂的核模拟。采用多个硬件平台有助于验证不同量子架构的结果。
该团队利用开源 Python 库 pyQuil - 用于编写量子指令语言程序的工具 - 用于生成在 Rigetti 和 IBM 机器上执行的硬件特定代码。
测量了什么？
研究人员利用量子计算进行了超过 700,000 次单独测量，以确定氘核的结合（或分离）能——将其分解成质子和中子所需的最小能量。
氘核，中子（蓝色）和质子（红色）的束缚态。图片来源：安迪·斯普罗尔斯
选择氘核是具有战略意义的：它是最简单的复合核，高度稳定，并且在海水中天然丰富，使其成为量子模拟的理想测试用例。
参考：Phys。莱特牧师。 120、210501（2018） |橡树岭国家实验室
尽管量子位不是质子或中子，但该团队将核特性映射到量子位上以模拟氘核的结合能。他们利用无介子有效场理论构建了氘核哈密顿量，并采用了基于酉耦合团簇理论的变分波函数 ansatz。通过减少电路深度，所有操作都适合器件的退相干时间。
面临的挑战
远程运行模拟会带来延迟，因此每次计算都会重复 8,000 次以确保统计可靠性。
量子处理器的噪音是出了名的。外部扰动可以显着改变测量结果。为了缓解这一问题，研究人员注入了人工噪声，并将结果推断至零噪声极限。
结果和影响
两个处理器上的双量子位模拟产生了一致的结果，且不确定性较小。当外推到无限空间时，计算出的结合能与已知氘核值的误差在 2% 以内。
由于纠缠误差，添加第三个量子位会增加复杂性，但推断结果仍与准确值相差 3% 以内。
这些成功表明，量子计算机可以准确地模拟简单的核系统，并暗示通过基于云的量子访问研究较重原子核的潜力，从而为核结构、元素形成和宇宙起源提供更深入的见解。
工业技术