重陽子原子核の初の量子コンピューターシミュレーション

• 原子核物理学者が初めて、量子コンピューター上で原子核をシミュレーションしました。
• チームは、クラウド経由でアクセスされる Rigetti 19Q と IBM QX5 量子プロセッサの両方で実行されるコードを作成しました。
• これらの初期結果は、リモートのクラウドベースの量子リソースを使用した、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拡張されます。それは機械が情報を処理する方法を変革します。古典的なコンピューターは 0 または 1 のビットを使用しますが、量子ビット (量子ビット) は両方の状態を同時に重ね合わせて存在できるため、計算の可能性が大幅に広がります。

オークリッジ国立研究所の研究者は最近、クラウドベースの量子プロセッサを使用して、重陽子（陽子 1 つと中性子 1 つからなる安定した原子核）をシミュレートすることで、この能力を実証しました。

使用したツール

このプロジェクトは、Rigetti 19Q および IBM QX5 デバイスで複雑な核シミュレーションを実行するように設計されたコードから 2017 年末に始まりました。複数のハードウェア プラットフォームを採用することで、さまざまな量子アーキテクチャ間で結果を検証することができました。

チームは、オープンソースの Python ライブラリ pyQuil を活用しました。 - 量子命令言語プログラムを作成するためのツール - Rigetti マシンと IBM マシンの両方で実行されるハードウェア固有のコードを生成します。

何を測定したのですか?

研究者らは、量子コンピューティングを使用して、700,000 回を超える個別の測定を実行して、重陽子の結合 (または分離) エネルギー、つまり重陽子を陽子と中性子に分解するのに必要な最小エネルギーを決定しました。

重陽子、中性子 (青) と陽子 (赤) が結合した状態。画像クレジット:アンディ・スプロールズ

重陽子の選択は戦略的でした。重陽子は最も単純な複合原子核であり、安定性が高く、海水中に天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.レット牧師。 120、210501 (2018) |オークリッジ国立研究所

量子ビットは陽子や中性子ではありませんが、研究チームは核の性質を量子ビットにマッピングして、重陽子の結合エネルギーをシミュレートしました。彼らは、パイオンレス有効場理論を使用して重陽子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解析を採用しました。回路の深さを減らすことで、すべての操作がデバイスのデコヒーレンス時間内に収まります。

直面する課題

シミュレーションをリモートで実行すると遅延が発生したため、統計的な信頼性を確保するために各計算が 8,000 回繰り返されました。

量子プロセッサはノイズが多いことで有名です。外部の摂動は測定結果を大きく変える可能性があります。これを軽減するために、研究者らは人工ノイズを注入し、結果をノイズゼロの限界まで外挿しました。

結果とその影響

両方のプロセッサーでの 2 量子ビットのシミュレーションでは、不確実性が小さい一貫した結果が得られました。無限空間に外挿すると、計算された結合エネルギーは既知の重陽子値の 2% 以内でした。

3 番目の量子ビットを追加すると、もつれエラーにより複雑さが増加しましたが、外挿された結果は正確な値の 3% 以内にとどまりました。

これらの成功は、量子コンピューターが単純な原子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てより重い原子核を研究できる可能性を示唆し、原子核の構造、元素形成、宇宙の起源についてのより深い洞察を提供します。