Los científicos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía son los primeros en simular con éxito un núcleo atómico utilizando una computadora cuántica. Los resultados, publicado en Cartas de revisión física , demostrar la capacidad de los sistemas cuánticos para calcular problemas de física nuclear y servir como punto de referencia para cálculos futuros.

Computación cuántica, en el que se realizan cálculos basados ​​en los principios cuánticos de la materia, fue propuesto por el físico teórico estadounidense Richard Feynman a principios de la década de 1980. A diferencia de los bits de computadora normales, las unidades de qubit utilizadas por las computadoras cuánticas almacenan información en sistemas de dos estados, como electrones o fotones, que se consideran en todos los estados cuánticos posibles a la vez (un fenómeno conocido como superposición).

"En la informática clásica, escribes en bits de cero y uno, "dijo Thomas Papenbrock, un físico nuclear teórico de la Universidad de Tennessee y ORNL que codirigió el proyecto con el especialista en información cuántica de ORNL Pavel Lougovski. "Pero con un qubit, puedes tener cero, uno, y cualquier combinación posible de cero y uno, por lo que obtiene un amplio conjunto de posibilidades para almacenar datos ".

En octubre de 2017, el equipo multidivisional de ORNL comenzó a desarrollar códigos para realizar simulaciones en las computadoras cuánticas IBM QX5 y Rigetti 19Q a través del proyecto Quantum Testbed Pathfinder del DOE, un esfuerzo por verificar y validar aplicaciones científicas en diferentes tipos de hardware cuántico. Usando el software pyQuil disponible gratuitamente, una biblioteca diseñada para producir programas en el lenguaje de instrucción cuántica, los investigadores escribieron un código que se envió primero a un simulador y luego a los sistemas IBM QX5 y Rigetti 19Q basados ​​en la nube.

El equipo realizó más de 700, 000 mediciones de computación cuántica de la energía de un deuterón, el estado de enlace nuclear de un protón y un neutrón. De estas medidas, el equipo extrajo la energía de enlace del deuterón, la cantidad mínima de energía necesaria para desmontarlo en estas partículas subatómicas. El deuterón es el núcleo atómico compuesto más simple, convirtiéndolo en un candidato ideal para el proyecto.

"Los qubits son versiones genéricas de los sistemas cuánticos de dos estados. Para empezar, no tienen propiedades de un neutrón o un protón, ", Dijo Lougovski." Podemos asignar estas propiedades a qubits y luego usarlas para simular fenómenos específicos, en este caso, energía de unión."

Un desafío de trabajar con estos sistemas cuánticos es que los científicos deben ejecutar simulaciones de forma remota y luego esperar los resultados. El investigador de ciencias de la computación de ORNL Alex McCaskey y el científico investigador de información cuántica de ORNL Eugene Dumitrescu realizaron mediciones únicas 8, 000 veces cada uno para garantizar la precisión estadística de sus resultados.

"Es muy difícil hacer esto a través de Internet, ", Dijo McCaskey." Este algoritmo ha sido realizado principalmente por los propios proveedores de hardware, y realmente pueden tocar la máquina. Están girando las perillas ".

El equipo también descubrió que los dispositivos cuánticos se vuelven difíciles de trabajar debido al ruido inherente en el chip. lo que puede alterar los resultados drásticamente. McCaskey y Dumitrescu emplearon con éxito estrategias para mitigar las altas tasas de error, como agregar artificialmente más ruido a la simulación para ver su impacto y deducir cuáles serían los resultados con cero ruido.

"Estos sistemas son realmente susceptibles al ruido, "dijo Gustav Jansen, un científico computacional en el Scientific Computing Group en Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE ubicada en ORNL. "Si las partículas entran y golpean la computadora cuántica, realmente puede sesgar tus medidas. Estos sistemas no son perfectos pero al trabajar con ellos, podemos obtener una mejor comprensión de los errores intrínsecos ".

Al finalizar el proyecto, Los resultados del equipo en dos y tres qubits estuvieron entre el 2 y el 3 por ciento, respectivamente, de la respuesta correcta en una computadora clásica, y la computación cuántica se convirtió en la primera de su tipo en la comunidad de la física nuclear.

La simulación de prueba de principio allana el camino para calcular núcleos mucho más pesados ​​con muchos más protones y neutrones en sistemas cuánticos en el futuro. Las computadoras cuánticas tienen aplicaciones potenciales en criptografía, inteligencia artificial, y la previsión meteorológica porque cada qubit adicional se enreda (o se une de forma inextricable) a los demás, aumentando exponencialmente el número de resultados posibles para el estado medido al final. Este mismo beneficio, sin embargo, también tiene efectos adversos en el sistema porque los errores también pueden escalar exponencialmente con el tamaño del problema.

Papenbrock dijo que la esperanza del equipo es que el hardware mejorado eventualmente permitirá a los científicos resolver problemas que no pueden resolverse con recursos informáticos tradicionales de alto rendimiento, ni siquiera en los del OLCF. En el futuro, Los cálculos cuánticos de núcleos complejos podrían desentrañar detalles importantes sobre las propiedades de la materia, la formación de elementos pesados, y los orígenes del universo.

Resultados del estudio, titulado "Computación cuántica en la nube de un núcleo atómico, "fueron publicados en Cartas de revisión física .