博科園：科學科普-物理學類美國能源部橡樹嶺國家實驗室的科學家是第一個用量子計算機成功模擬原子核的科學家。這一結果發表在《物理評論快報》上，展示了量子系統計算核物理問題的能力，並作為未來計算的基準。量子計算是由美國理論物理學家理察·費曼在20世紀80年代初提出的，它是根據物質的量子原理進行計算的。與普通的計算機比特不同，量子計算機使用的量子位單位存儲在兩種狀態系統中的信息，比如電子或光子，它們被認為是同時存在於所有可能的量子態(一種被稱為疊加態的現象)。
一個氘核的圖像，一個質子和一個中子的束縛態。圖片：Andrew Sproles, Oak Ridge National Laboratory
ORNL量子信息專家Pavel Lougovski和田納西大學的理論核物理學家Thomas Papenbrock共同領導這個項目：在經典計算中，用0和1來寫，但是有了一個量子位，就可以擁有零、一個和任何可能的零和一個組合，因此獲得了大量的存儲數據的可能性。在2017年10月，multidivisional ORNL團隊開始開發代碼，通過DOE的量子Testbed Pathfinder項目對IBM QX5和Rigetti 19Q量子計算機進行模擬，以驗證和驗證不同量子硬體類型的科學應用。
研究人員使用免費的py奎爾軟體(一種用於在量子指令語言中製作程序的庫)編寫了一段代碼，先發送到模擬器，然後再發送到基於雲的IBM QX5和Rigetti 19Q系統。該研究團隊完成了超過70萬次的量子計算，測量了氘核的能量，質子和中子的原子核束縛態。從這些測量中，研究小組提取了氘核的結合能——將其分解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，使它成為該項目的理想候選。
量子位是量子兩態系統的通用版本。它們沒有中子或質子的特性，可以將這些屬性映射到量子位，然後用它們來模擬特定的現象——在這種情況下，就是結合能。與這些量子系統合作的一個挑戰是，科學家必須遠程運行模擬，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對每一個測量數據進行了8000次的測量，以確保其結果的統計準確性。在網際網路上做這件事真的很難，這個算法主要是由硬體供應商自己完成的，他們實際上可以觸摸到機器正在轉動旋鈕。
研究小組還發現，由於晶片上固有的噪聲，量子設備變得難以處理，這將極大地改變結果。McCaskey和Dumitrescu成功地採用了策略來降低高錯誤率，例如人為地在模擬中添加更多的噪聲，以觀察其影響，並推斷出零噪聲的結果。位於ORNL的橡樹嶺領導計算設施(OLCF)的科學計算小組的計算科學家Gustav Jansen說：這些系統真的很容易受到噪音的影響。如果粒子進入並撞擊量子計算機，它真的會扭曲你的測量值。這些系統並不完美，但在與它們一起工作時，可以更好地理解內在錯誤。
在項目完成時，團隊的兩個和三個量子位的結果在一個經典計算機上的正確答案分別為2%和3%，而量子計算在核物理學界成為第一個。在未來的量子系統中，理論上的原理模擬為計算更重的原子核和更多的質子和中子鋪平了道路。量子計算機在密碼學、人工智慧和天氣預報方面都有潛在的應用，因為每一個額外的量子位都會被糾纏或與其他的量子糾纏在一起，從而成倍地增加最終被測狀態的可能結果的數量。
然而，這種好處也會對系統產生不利的影響，因為錯誤可能會隨著問題的大小呈指數級增長。Papenbrock說，研究小組的希望是，改進後的硬體將最終使科學家能夠解決傳統高性能計算資源無法解決的問題——即使是在OLCF的問題上。在未來，複雜原子核的量子計算可以解開有關物質性質、重元素形成和宇宙起源的重要細節。這項名為「原子核雲量子計算」的研究結果發表在《物理評論快報》上。
博科園-科學科普｜參考期刊文獻：物理評論快報｜來自：橡樹嶺國家實驗室