Erste Quantencomputersimulation eines Deuteron-Kerns

• Kernphysiker haben erstmals einen Atomkern auf einem Quantencomputer simuliert.
• Das Team schrieb Code, der sowohl auf den Quantenprozessoren Rigetti 19Q als auch IBM QX5 lief, auf die über die Cloud zugegriffen wurde.
• Diese ersten Ergebnisse ebnen den Weg für quantengesteuerte Studien schwererer Kerne mithilfe entfernter, cloudbasierter Quantenressourcen.

Quantencomputing geht über die Geschwindigkeit hinaus; Es verändert die Art und Weise, wie Maschinen Informationen verarbeiten. Während klassische Computer Bits verwenden, die entweder 0 oder 1 sind, können Quantenbits (Qubits) gleichzeitig in einer Überlagerung beider Zustände existieren, was die Rechenmöglichkeiten enorm erweitert.

Forscher des Oak Ridge National Laboratory haben diese Leistungsfähigkeit kürzlich demonstriert, indem sie mithilfe cloudbasierter Quantenprozessoren ein Deuteron – einen stabilen Kern aus einem Proton und einem Neutron – simuliert haben.

Verwendete Tools

Das Projekt begann Ende 2017 mit Code, der für die Ausführung komplexer Nuklearsimulationen auf den Geräten Rigetti 19Q und IBM QX5 konzipiert war. Der Einsatz mehrerer Hardwareplattformen trug dazu bei, die Ergebnisse über verschiedene Quantenarchitekturen hinweg zu validieren.

Das Team nutzte die Open-Source-Python-Bibliothek pyQuil – ein Tool zum Schreiben von Programmen in der Quantenanweisungssprache – um hardwarespezifischen Code zu generieren, der sowohl auf Rigetti- als auch auf IBM-Maschinen ausgeführt wurde.

Was wurde gemessen?

Mithilfe von Quantencomputern führten die Forscher über 700.000 Einzelmessungen durch, um die Bindungs- (oder Trennungs-) Energie des Deuterons zu bestimmen – die minimale Energie, die erforderlich ist, um es in ein Proton und ein Neutron zu spalten.

Ein Deuteron, der gebundene Zustand eines Neutrons (blau) und eines Protons (rot). Bildnachweis:Andy Sproles

Die Wahl des Deuterons war von strategischer Bedeutung:Es ist der einfachste zusammengesetzte Kern, äußerst stabil und kommt von Natur aus häufig im Meerwasser vor, was ihn zu einem idealen Testfall für die Quantensimulation macht.

Referenz:Phys. Rev. Lett. 120, 210501 (2018) | Oak Ridge National Laboratory

Obwohl Qubits keine Protonen oder Neutronen sind, hat das Team Kerneigenschaften auf Quantenbits abgebildet, um die Bindungsenergie des Deuterons zu simulieren. Sie konstruierten einen Deuteron-Hamilton-Operator unter Verwendung der pionlosen effektiven Feldtheorie und verwendeten einen Variationswellenfunktionsansatz basierend auf der Theorie der einheitlichen gekoppelten Cluster. Durch die Reduzierung der Schaltkreistiefe passen alle Vorgänge in die Dekohärenzzeit des Geräts.

Herausforderungen

Das Ausführen der Simulationen aus der Ferne führte zu Latenzen, sodass jede Berechnung 8.000 Mal wiederholt wurde, um die statistische Zuverlässigkeit sicherzustellen.

Quantenprozessoren sind bekanntermaßen laut. Externe Störungen können die Messergebnisse erheblich verändern. Um dies zu mildern, injizierten die Forscher künstliches Rauschen und extrapolierten die Ergebnisse bis zur Null-Lärm-Grenze.

Ergebnisse und Implikationen

Zwei-Qubit-Simulationen auf beiden Prozessoren lieferten konsistente Ergebnisse mit geringen Unsicherheiten. Bei der Extrapolation in den unendlichen Raum lag die berechnete Bindungsenergie innerhalb von 2 % des bekannten Deuteronwerts.

Das Hinzufügen eines dritten Qubits erhöhte die Komplexität aufgrund von Verschränkungsfehlern, aber das extrapolierte Ergebnis blieb innerhalb von 3 % des genauen Wertes.

Diese Erfolge zeigen, dass Quantencomputer einfache Kernsysteme genau modellieren können und weisen auf das Potenzial hin, schwerere Kerne durch cloudbasierten Quantenzugriff zu untersuchen und tiefere Einblicke in die Kernstruktur, die Elementbildung und die Ursprünge des Universums zu bieten.