Novo esquema híbrido acelera o caminho para simular reações nucleares em computadores quânticos
Uma representação da colisão de dois nêutrons simulada em um chip quântico no Advanced Quantum Testbed. Crédito:S. Quaglioni (adaptado do site Lawrence Berkely National Laboratory Advanced Quantum Testbed). As reações nucleares que alimentam as estrelas e forjam os elementos emergem das interações das partículas da mecânica quântica, prótons e nêutrons. Explicar esses processos é um dos problemas não resolvidos mais desafiadores da física computacional.
À medida que a massa dos núcleos em colisão aumenta, os recursos necessários para modelá-los superam até mesmo os computadores convencionais mais poderosos. Os computadores quânticos poderiam realizar os cálculos necessários. No entanto, atualmente eles ficam aquém do número necessário de bits quânticos confiáveis e de longa duração.
Pesquisa, publicada na Physical Review A , combinou computadores convencionais e computadores quânticos para acelerar significativamente as perspectivas de resolução deste problema.
Os pesquisadores usaram com sucesso o esquema de computação híbrida para simular o espalhamento de dois nêutrons. Isso abre um caminho para calcular taxas de reação nuclear que são difíceis ou impossíveis de medir em laboratório. Estes incluem taxas de reação que desempenham um papel na astrofísica e na segurança nacional.
O esquema híbrido também ajudará na simulação das propriedades de outros sistemas de mecânica quântica. Por exemplo, poderia ajudar os pesquisadores a estudar a dispersão de elétrons com vibrações atômicas quantizadas conhecidas como fônons, um processo subjacente à supercondutividade.
Uma equipe de cientistas da Universidade de Washington, da Universidade de Trento, do Advanced Quantum Testbed (AQT) e do Laboratório Nacional Lawrence Livermore propôs um algoritmo híbrido para a simulação da dinâmica (em tempo real) de sistemas mecânicos quânticos de partículas.
Nesta abordagem híbrida, a evolução temporal das coordenadas espaciais das partículas é realizada num processador clássico, enquanto a evolução das suas variáveis de spin é realizada em hardware quântico. Os pesquisadores demonstraram esse esquema híbrido simulando o espalhamento de dois nêutrons no AQT.
A demonstração validou o princípio do esquema de coprocessamento proposto após implementar estratégias de mitigação de erros para melhorar a precisão do algoritmo e adotar métodos teóricos e experimentais para elucidar a perda de coerência quântica.
Mesmo com a simplicidade do sistema de demonstração estudado neste projeto, os resultados sugerem que uma generalização do presente esquema híbrido pode fornecer um caminho promissor para simular experimentos de espalhamento quântico com um computador quântico.
Aproveitando futuras plataformas quânticas com tempos de coerência mais longos e maiores fidelidades de portas quânticas, o algoritmo híbrido permitiria o cálculo robusto de reações nucleares complexas importantes para a astrofísica e aplicações tecnológicas da ciência nuclear.
