世界初、量子コンピューターでデューテロン原子核をシミュレーション

• 核物理学者たちが、初めて原子核を量子コンピューター上でシミュレーションすることに成功。
• チームはクラウド経由でアクセス可能な Rigetti 19Q と IBM QX5 量子プロセッサーの両方で動作するコードを作成。
• これらの初期成果は、リモート・クラウドベースの量子リソースを通じたより重い原子核の量子駆動研究への道を開きます。

量子コンピューティングは速度を超えて、機械が情報を処理する方法を変革します。古典コンピューターが 0 または 1 のビットを使用するのに対し、量子ビット (qubit) は両状態の重ね合わせとして同時に存在でき、計算可能性を劇的に拡張します。

オークリッジ国立研究所の研究者たちが最近、クラウドベースの量子プロセッサーを使用して、1 つの陽子と 1 つの中性子で構成される安定原子核であるデューテロン (重水素核) をシミュレーションすることで、この力を実証しました。

使用ツール

プロジェクトは 2017 年末に、複雑な核シミュレーションを Rigetti 19Q と IBM QX5 デバイスで実行するためのコード設計から始まりました。複数のハードウェアプラットフォームを活用することで、異なる量子アーキテクチャ間での結果検証を行いました。

チームはオープンソース Python ライブラリ pyQuil——量子命令言語プログラムを書くためのツール——を活用し、両 Rigetti と IBM マシンで実行されるハードウェア固有のコードを生成しました。

何を測定したか？

量子コンピューティングを用いて、研究者たちは 70 万回以上の個別測定を行い、デューテロンの結合 (または分離) エネルギー——陽子と中性子に分解するために必要な最小エネルギー——を決定しました。

デューテロン、中性子 (青) と陽子 (赤) の束縛状態。画像提供：Andy Sproles

デューテロンの選択は戦略的でした。最も単純な複合核であり、高度に安定し、海水に自然に豊富に存在するため、量子シミュレーションの理想的なテストケースとなります。

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

qubit は陽子や中性子ではありませんが、チームは核特性を量子ビットにマッピングしてデューテロンの結合エネルギーをシミュレーションしました。ピオンレス有効場理論を用いてデューテロンハミルトニアンを構築し、ユニタリ結合クラスター理論に基づく変分波動関数アンザッツを採用。回路深度を削減することで、すべての操作をデバイスのデコヒーレンス時間内に収めました。

直面した課題

リモートでのシミュレーション実行はレイテンシを導入するため、統計的信頼性を確保するため各計算を 8,000 回繰り返しました。

量子プロセッサーは悪名高いノイズを持ちます。外部摂動が測定結果を大きく変える可能性があります。これを緩和するため、研究者たちは人工ノイズを注入し、ゼロノイズ限界へ結果を外挿しました。

結果と意義

両プロセッサーでの 2 qubit シミュレーションは、小さな不確実性で一貫した結果を生成。無限空間へ外挿すると、計算された結合エネルギーは既知のデューテロン値の 2% 以内に収まりました。

3 番目の qubit 追加によりエンタングルメントエラーで複雑性が増しましたが、外挿結果は厳密値の 3% 以内に留まりました。

これらの成功は、量子コンピューターが単純な核システムを正確にモデル化できることを示し、クラウドベースの量子アクセスを通じたより重い原子核の研究への可能性を示唆しています。これにより核構造、元素生成、宇宙の起源へのより深い洞察が得られるでしょう。