能源部橡樹嶺國家實驗室的科學家是第一個使用量子計算機成功模擬原子核的人。“ 物理評論快報”發表的結果證明了量子系統計算核物理問題的能力，並且可以作為未來計算的基準。
量子計算是美國理論物理學家理查德費曼在20世紀80年代初提出的，其中計算是基於物質的量子原理進行的。與普通的計算機比特不同，量子計算機使用的量子比特單元將信息存儲在兩態系統中，例如電子或光子，這些系統被認為是同時處於所有可能的量子態（稱為疊加現象）。
“在經典計算中，你寫的是零和一位，”田納西大學和ORNL的理論核物理學家Thomas Papenbrock說，他與ORNL量子信息專家Pavel Lougovski共同領導了這個項目。“但是通過一個量子位，你可以有零個，一個零和一個任意可能的組合，因此你可以獲得大量存儲數據的可能性。”
2017年10月，多分區ORNL團隊開始開發代碼，通過美國能源部Quantum Testbed Pathfinder項目對IBM QX5和Rigetti 19Q量子計算機進行仿真，以驗證和驗證不同量子硬件類型的科學應用。研究人員使用免費提供的pyQuil軟件（一種專為量子指令語言製作程序而設計的庫）編寫了一個代碼，首先將代碼發送給仿真器，然後發送給基於雲的IBM QX5和Rigetti 19Q系統。
該團隊對氘核的能量，質子和中子的核束縛態進行了70多萬次量子計算測量。從這些測量結果中，團隊提取了氘核的結合能 - 將其拆分成這些亞原子粒子所需的最小能量。氘核是最簡單的複合原子核，使其成為該項目的理想候選者。
“Qubits是量子雙態系統的通用版本，它們沒有中子或質子的特性，”Lougovski說。“我們可以將這些性質映射到量子位，然後用它們來模擬特定的現象 - 在這種情況下，綁定能量。”
與這些量子系統一起工作的挑戰是科學家必須遠程模擬運行，然後等待結果。ORNL計算機科學研究員Alex McCaskey和ORNL量子信息研究科學家Eugene Dumitrescu每次進行單次測量8000次，以確保其結果的統計準確性。
“通過互聯網做這件事真的很困難，”McCaskey說。“這種算法主要由硬件廠商自己完成，他們實際上可以觸摸機器，他們正在旋轉旋鈕。”
該團隊還發現，量子器件由於芯片固有的噪聲而變得棘手，這可能會大大改變結果。McCaskey和Dumitrescu成功地採取了策略來緩解高錯誤率，例如人為地將更多的噪聲添加到模擬中以查看其影響，並推斷零噪聲的結果。
“這些系統真的很容易受到噪音的影響，”位於ORNL的美國能源部科學用戶設施辦公室的橡樹嶺領導計算機構（OLCF）科學計算組的科學家Gustav Jansen說。“如果粒子進入並擊中量子計算機，它可能會扭曲你的測量結果，這些系統並不完美，但在與他們合作時，我們可以更好地理解內在錯誤。”
在項目完成時，團隊在兩個和三個量子比特上的結果分別在經典計算機上的正確答案的2％和3％之內，量子計算成為核物理界的首例。
原理驗證模擬為將來在量子系統上計算更多更重質子核和更多質子和中子鋪平了道路。量子計算機在密碼學，人工智能和天氣預報中具有潛在的應用，因為每個額外的量子位與其他量子位糾纏在一起 - 或者與其他量子位無法排除 - 會以指數方式增加最終測量狀態的可能結果數量。然而，這種好處對系統也有不利影響，因為錯誤也可能隨著問題規模呈指數級增長。
Papenbrock表示，該團隊希望改進後的硬件最終能夠幫助科學家解決傳統高性能計算資源無法解決的問題 - 即使在OLCF上也無法解決。未來，複雜核的量子計算可能會揭示關於物質性質，重元素形成以及宇宙起源的重要細節。
閱讀更多 科技之王之家 的文章
