Erste Quantencomputer-Simulation eines Deuteron-Kerns

• Kernphysiker haben erstmals einen Atomkern auf einem Quantencomputer simuliert.
• Das Team schrieb Code, der auf Rigetti 19Q und IBM QX5 Quantenprozessoren via Cloud lief.
• Diese Initialergebnisse ebnen den Weg für quantengetriebene Studien schwererer Kerne durch remote, cloud-basierte Quantenressourcen.

Quantencomputing geht über Geschwindigkeit hinaus; es transformiert, wie Maschinen Information verarbeiten. Während klassische Computer Bits nutzen, die entweder 0 oder 1 sind, können Quantenbits (Qubits) in Superposition beider Zustände gleichzeitig existieren und erweitern rechnerische Möglichkeiten enorm.

Forscher des Oak Ridge National Laboratory demonstrierten diese Kraft kürzlich durch Simulation eines Deuterons – eines stabilen Kerns aus einem Proton und einem Neutron – mittels cloud-basierter Quantenprozessoren.

Verwendete Tools

Das Projekt begann Ende 2017 mit Code für komplexe Kernsimulationen auf Rigetti 19Q und IBM QX5. Die Nutzung mehrerer Hardwareplattformen half, Ergebnisse über verschiedene Quantenarchitekturen zu validieren.

Das Team nutzte die Open-Source Python-Bibliothek pyQuil – ein Tool für Quanteninstruktionssprachen-Programme –, um hardwarespezifischen Code zu generieren, der auf Rigetti- und IBM-Maschinen ausgeführt wurde.

Was wurde gemessen?

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

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

Die Wahl des Deuterons war strategisch: es ist der einfachste Composite-Kern, hochstabil und natürlich im Meerwasser reichlich vorhanden – idealer Testfall für Quantensimulation.

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

Obwohl Qubits keine Protonen oder Neutronen sind, mappte das Team Kern-Eigenschaften auf Quantenbits, um die Bindungsenergie des Deuterons zu simulieren. Sie konstruierten einen Deuteron-Hamiltonian mittels pionloser effektiver Feldtheorie und nutzten einen variationalen Wellenfunktions-Ansatz basierend auf unitärer gekoppelter Cluster-Theorie. Durch Reduktion der Schaltkreistiefe passten alle Operationen in die Dekohärenzzeit des Geräts.

Herausforderungen

Remote-Simulationen führten zu Latenz, daher wurde jede Berechnung 8.000 Mal wiederholt für statistische Reliabilität.

Quantenprozessoren sind notorisch rauschend. Externe Störungen können Messergebnisse signifikant verändern. Zur Milderung injizierten die Forscher künstliches Rauschen und extrapolierten Ergebnisse zum Null-Rauschen-Limes.

Ergebnisse und Implikationen

Zwei-Qubit-Simulationen auf beiden Prozessoren lieferten konsistente Ergebnisse mit kleinen Unsicherheiten. Extrapoliert auf unendlichen Raum lag die berechnete Bindungsenergie innerhalb 2 % des bekannten Deuteron-Werts.

Hinzufügen eines dritten Qubits erhöhte Komplexität durch Verschränkungsfehler, aber das extrapolierte Ergebnis blieb innerhalb 3 % des exakten Werts.

Diese Erfolge demonstrieren, dass Quantencomputer einfache Kernsysteme akkurat modellieren können und andeuten das Potenzial für Untersuchung schwererer Kerne über cloud-basierten Quellenzugriff – für tiefere Einblicke in Kernstruktur, Elemententstehung und Ursprünge des Universums.