Los científicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía son los primeros en simular con éxito un núcleo atómico utilizando una computadora cuántica. Los resultados, publicados en Cartas de revisión física , demuestre la capacidad de los sistemas cuánticos para calcular problemas de física nuclear y servir como punto de referencia para futuros cálculos.
La computación cuántica, en la cual los cálculos se llevan a cabo en base a los principios cuánticos de la materia, fue propuesta por el físico teórico estadounidense Richard Feynman a principios de la década de 1980. A diferencia de los bits de computadora normales, las unidades qubit utilizadas por las computadoras cuánticas almacenan información en dos estadossistemas, como electrones o fotones, que se consideran en todos los estados cuánticos posibles a la vez un fenómeno conocido como superposición.
"En informática clásica, se escribe en bits de cero y uno", dijo Thomas Papenbrock, un físico nuclear teórico de la Universidad de Tennessee y ORNL que codirigió el proyecto con el especialista en información cuántica de ORNL Pavel Lougovski. "Pero con unqubit, puede tener cero, uno y cualquier combinación posible de cero y uno, por lo que obtiene un amplio conjunto de posibilidades para almacenar datos ".
En octubre de 2017, el equipo multidivisional ORNL comenzó a desarrollar códigos para realizar simulaciones en las computadoras cuánticas IBM QX5 y Rigetti 19Q a través del proyecto Quantum Testbed Pathfinder del DOE, un esfuerzo para verificar y validar aplicaciones científicas en diferentes tipos de hardware cuántico.software, una biblioteca diseñada para producir programas en el lenguaje de instrucción cuántica, los investigadores escribieron un código que se envió primero a un simulador y luego a los sistemas IBM QX5 y Rigetti 19Q basados en la nube.
El equipo realizó más de 700,000 mediciones de computación cuántica de la energía de un deuterón, el estado nuclear de un protón y un neutrón. De estas mediciones, el equipo extrajo la energía de enlace del deuterón, la cantidad mínima de energía necesaria para desmontaren estas partículas subatómicas. El deuterón es el núcleo atómico compuesto más simple, lo que lo convierte en un candidato ideal para el proyecto.
"Qubits son versiones genéricas de sistemas cuánticos de dos estados. Para empezar, no tienen propiedades de un neutrón o un protón", dijo Lougovski. "Podemos mapear estas propiedades a qubits y luego usarlas para simular fenómenos específicos -en este caso, energía vinculante "
Un desafío de trabajar con estos sistemas cuánticos es que los científicos deben ejecutar simulaciones de forma remota y luego esperar los resultados. El investigador de informática ORNL Alex McCaskey y el científico de investigación de información cuántica ORNL Eugene Dumitrescu realizaron mediciones individuales 8,000 veces cada una para garantizar la precisión estadística de susresultados.
"Es realmente difícil hacer esto a través de Internet", dijo McCaskey. "Este algoritmo ha sido desarrollado principalmente por los propios proveedores de hardware, y en realidad pueden tocar la máquina. Están girando los mandos".
El equipo también descubrió que los dispositivos cuánticos se vuelven difíciles de trabajar debido al ruido inherente en el chip, lo que puede alterar drásticamente los resultados. McCaskey y Dumitrescu emplearon con éxito estrategias para mitigar las altas tasas de error, como agregar artificialmente más ruido a la simulación paravea su impacto y deduzca cuáles serían los resultados con cero ruido.
"Estos sistemas son realmente susceptibles al ruido", dijo Gustav Jansen, científico computacional en el Grupo de Computación Científica en el Centro de Computación de Liderazgo de Oak Ridge OLCF, un Centro de Usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE ubicado en ORNL ".entrar y golpear la computadora cuántica, realmente puede sesgar sus medidas. Estos sistemas no son perfectos, pero al trabajar con ellos, podemos obtener una mejor comprensión de los errores intrínsecos ".
Al finalizar el proyecto, los resultados del equipo en dos y tres qubits estaban dentro del 2 y 3 por ciento, respectivamente, de la respuesta correcta en una computadora clásica, y la computación cuántica se convirtió en la primera de su tipo en la comunidad de física nuclear.
La simulación de prueba de principio allana el camino para calcular núcleos mucho más pesados con muchos más protones y neutrones en sistemas cuánticos en el futuro. Las computadoras cuánticas tienen aplicaciones potenciales en criptografía, inteligencia artificial y pronóstico del tiempo porque cada qubit adicional se enreda- o ligado inextricablemente - a los demás, aumentando exponencialmente el número de resultados posibles para el estado medido al final. Sin embargo, este beneficio también tiene efectos adversos en el sistema porque los errores también pueden aumentar exponencialmente con el tamaño del problema.
Papenbrock dijo que la esperanza del equipo es que el hardware mejorado eventualmente permita a los científicos resolver problemas que no pueden resolverse en los recursos informáticos tradicionales de alto rendimiento, ni siquiera en los del OLCF. En el futuro, los cálculos cuánticos de núcleos complejos podríandesentrañar detalles importantes sobre las propiedades de la materia, la formación de elementos pesados y los orígenes del universo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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