Gli scienziati dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia sono i primi a simulare con successo un nucleo atomico utilizzando un computer quantistico. I risultati, pubblicato in Lettere di revisione fisica , dimostrare la capacità dei sistemi quantistici di calcolare problemi di fisica nucleare e fungere da punto di riferimento per i calcoli futuri.

Calcolo quantistico, in cui vengono eseguiti calcoli basati sui principi quantistici della materia, è stato proposto dal fisico teorico americano Richard Feynman nei primi anni '80. A differenza dei normali bit di computer, le unità qubit utilizzate dai computer quantistici memorizzano le informazioni in sistemi a due stati, come elettroni o fotoni, che sono considerati in tutti i possibili stati quantistici contemporaneamente (un fenomeno noto come sovrapposizione).

"Nell'informatica classica, scrivi in ​​bit di zero e uno, " disse Thomas Papenbrock, un fisico nucleare teorico presso l'Università del Tennessee e l'ORNL che ha co-diretto il progetto con lo specialista dell'informazione quantistica dell'ORNL Pavel Lougovski. "Ma con un qubit, puoi avere zero, uno, e ogni possibile combinazione di zero e uno, così ottieni una vasta gamma di possibilità per memorizzare i dati."

Nell'ottobre 2017 il team multidivisionale ORNL ha iniziato a sviluppare codici per eseguire simulazioni sui computer quantistici IBM QX5 e Rigetti 19Q attraverso il progetto Quantum Testbed Pathfinder del DOE, uno sforzo per verificare e convalidare le applicazioni scientifiche su diversi tipi di hardware quantistico. Utilizzando il software pyQuil disponibile gratuitamente, una libreria progettata per produrre programmi nel linguaggio di istruzione quantistica, i ricercatori hanno scritto un codice che è stato inviato prima a un simulatore e poi ai sistemi IBM QX5 e Rigetti 19Q basati su cloud.

La squadra ha eseguito più di 700, 000 misurazioni di calcolo quantistico dell'energia di un deuterone, lo stato nucleare di un protone e di un neutrone. Da queste misurazioni, il team ha estratto l'energia di legame del deuterone, la quantità minima di energia necessaria per smontarlo in queste particelle subatomiche. Il deuterone è il nucleo atomico composito più semplice, rendendolo un candidato ideale per il progetto.

"I qubit sono versioni generiche di sistemi quantistici a due stati. Non hanno proprietà di un neutrone o di un protone per cominciare, " ha detto Lougovski. "Possiamo mappare queste proprietà sui qubit e quindi usarle per simulare fenomeni specifici, in questo caso, energia di legame."

Una sfida nel lavorare con questi sistemi quantistici è che gli scienziati devono eseguire simulazioni in remoto e quindi attendere i risultati. Il ricercatore informatico dell'ORNL Alex McCaskey e lo scienziato ricercatore dell'informazione quantistica dell'ORNL Eugene Dumitrescu hanno eseguito singole misurazioni 8, 000 volte ciascuno per garantire l'accuratezza statistica dei loro risultati.

"È davvero difficile farlo su Internet, " ha detto McCaskey. "Questo algoritmo è stato realizzato principalmente dagli stessi fornitori di hardware, e possono effettivamente toccare la macchina. Stanno girando le manopole".

Il team ha anche scoperto che i dispositivi quantistici diventano difficili da utilizzare a causa del rumore intrinseco sul chip, che possono alterare drasticamente i risultati. McCaskey e Dumitrescu hanno impiegato con successo strategie per mitigare alti tassi di errore, come aggiungere artificialmente più rumore alla simulazione per vederne l'impatto e dedurre quali sarebbero i risultati con rumore zero.

"Questi sistemi sono molto sensibili al rumore, " disse Gustav Jansen, uno scienziato computazionale nello Scientific Computing Group presso l'Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), un DOE Office of Science User Facility situato presso l'ORNL. "Se le particelle entrano e colpiscono il computer quantistico, può davvero distorcere le tue misure. Questi sistemi non sono perfetti, ma lavorando con loro, possiamo ottenere una migliore comprensione degli errori intrinseci."

Al completamento del progetto, i risultati del team su due e tre qubit erano compresi tra il 2 e il 3%, rispettivamente, della risposta corretta su un computer classico, e il calcolo quantistico divenne il primo del suo genere nella comunità della fisica nucleare.

La simulazione della prova di principio apre la strada al calcolo di nuclei molto più pesanti con molti più protoni e neutroni su sistemi quantistici in futuro. I computer quantistici hanno potenziali applicazioni in crittografia, intelligenza artificiale, e previsioni del tempo perché ogni qubit aggiuntivo si impiglia - o si lega indissolubilmente - agli altri, aumentando esponenzialmente il numero di possibili esiti per lo stato misurato alla fine. Proprio questo vantaggio, però, ha anche effetti negativi sul sistema perché gli errori possono anche scalare in modo esponenziale con la dimensione del problema.

Papenbrock ha affermato che la speranza del team è che l'hardware migliorato alla fine consentirà agli scienziati di risolvere problemi che non possono essere risolti con le tradizionali risorse di elaborazione ad alte prestazioni, nemmeno con quelle dell'OLCF. Nel futuro, i calcoli quantistici di nuclei complessi potrebbero svelare importanti dettagli sulle proprietà della materia, la formazione di elementi pesanti, e le origini dell'universo.

Risultati dello studio, intitolato "Cloud Quantum Computing of an Atomic Nucleus, " sono stati pubblicati in Lettere di revisione fisica .