Cientistas do Laboratório Nacional de Oak Ridge, do Departamento de Energia, são os primeiros a simular com sucesso um núcleo atômico usando um computador quântico. Os resultados, publicado em Cartas de revisão física , demonstrar a capacidade dos sistemas quânticos de computar problemas de física nuclear e servir como referência para cálculos futuros.

Computação quântica, em que os cálculos são realizados com base nos princípios quânticos da matéria, foi proposto pelo físico teórico americano Richard Feynman no início dos anos 1980. Ao contrário dos bits normais de computador, as unidades qubit usadas por computadores quânticos armazenam informações em sistemas de dois estados, como elétrons ou fótons, que são considerados em todos os estados quânticos possíveis ao mesmo tempo (um fenômeno conhecido como superposição).

"Na computação clássica, você escreve em bits de zero e um, "disse Thomas Papenbrock, um físico nuclear teórico da Universidade do Tennessee e ORNL que co-liderou o projeto com o especialista em informação quântica do ORNL, Pavel Lougovski. "Mas com um qubit, você pode ter zero, 1, e qualquer combinação possível de zero e um, assim você ganha um vasto conjunto de possibilidades para armazenar dados. "

Em outubro de 2017, a equipe ORNL multidivisional começou a desenvolver códigos para realizar simulações nos computadores quânticos IBM QX5 e Rigetti 19Q por meio do projeto Quantum Testbed Pathfinder do DOE, um esforço para verificar e validar aplicações científicas em diferentes tipos de hardware quântico. Usando o software pyQuil disponível gratuitamente, uma biblioteca projetada para a produção de programas na linguagem de instrução quântica, os pesquisadores escreveram um código que foi enviado primeiro para um simulador e depois para os sistemas IBM QX5 e Rigetti 19Q baseados em nuvem.

A equipe realizou mais de 700, 000 medições de computação quântica da energia de um deutério, o estado de ligação nuclear de um próton e um nêutron. A partir dessas medições, a equipe extraiu a energia de ligação do deutério - a quantidade mínima de energia necessária para desmontá-lo nessas partículas subatômicas. O deutério é o núcleo atômico composto mais simples, tornando-o um candidato ideal para o projeto.

"Qubits são versões genéricas de sistemas quânticos de dois estados. Eles não têm propriedades de um nêutron ou próton para começar, "Lougovski disse." Podemos mapear essas propriedades para qubits e, em seguida, usá-los para simular fenômenos específicos - neste caso, energia de ligação."

Um desafio de trabalhar com esses sistemas quânticos é que os cientistas devem executar simulações remotamente e depois esperar pelos resultados. O pesquisador de ciência da computação do ORNL Alex McCaskey e o cientista de pesquisa de informações quânticas do ORNL Eugene Dumitrescu executaram medições únicas 8, 000 vezes cada para garantir a precisão estatística de seus resultados.

"É muito difícil fazer isso pela Internet, "McCaskey disse." Este algoritmo foi feito principalmente pelos próprios fornecedores de hardware, e eles podem realmente tocar na máquina. Eles estão girando os botões. "

A equipe também descobriu que os dispositivos quânticos se tornam difíceis de trabalhar devido ao ruído inerente ao chip, o que pode alterar os resultados drasticamente. McCaskey e Dumitrescu empregaram com sucesso estratégias para mitigar altas taxas de erro, como adicionar artificialmente mais ruído à simulação para ver seu impacto e deduzir quais seriam os resultados com ruído zero.

"Esses sistemas são realmente suscetíveis a ruídos, "disse Gustav Jansen, um cientista computacional no Scientific Computing Group no Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), um DOE Office of Science User Facility localizado em ORNL. "Se partículas estão entrando e atingindo o computador quântico, pode realmente distorcer suas medições. Esses sistemas não são perfeitos, mas trabalhando com eles, podemos obter uma melhor compreensão dos erros intrínsecos. "

Na conclusão do projeto, os resultados da equipe em dois e três qubits estavam entre 2 e 3 por cento, respectivamente, da resposta correta em um computador clássico, e a computação quântica se tornou a primeira desse tipo na comunidade da física nuclear.

A simulação de prova de princípio abre caminho para a computação de núcleos muito mais pesados ​​com muito mais prótons e nêutrons em sistemas quânticos no futuro. Os computadores quânticos têm aplicações potenciais em criptografia, inteligência artificial, e previsão do tempo porque cada qubit adicional se torna emaranhado - ou ligado inextricavelmente - aos outros, aumentando exponencialmente o número de resultados possíveis para o estado medido no final. Esse mesmo benefício, Contudo, também tem efeitos adversos no sistema porque os erros também podem aumentar exponencialmente com o tamanho do problema.

Papenbrock disse que a esperança da equipe é que um hardware melhorado eventualmente permita aos cientistas resolver problemas que não podem ser resolvidos em recursos de computação de alto desempenho tradicionais - nem mesmo nos do OLCF. No futuro, cálculos quânticos de núcleos complexos podem desvendar detalhes importantes sobre as propriedades da matéria, a formação de elementos pesados, e as origens do universo.

Resultados do estudo, intitulado "Cloud Quantum Computing of an Atomic Nucleus, "foram publicados em Cartas de revisão física .