Deuteron Nucleus의 최초 양자 컴퓨터 시뮬레이션

• 핵물리학자들은 처음으로 양자 컴퓨터에서 원자핵을 시뮬레이션했습니다.
• 팀은 클라우드를 통해 액세스되는 Rigetti 19Q 및 IBM QX5 양자 프로세서 모두에서 실행되는 코드를 작성했습니다.
• 이러한 초기 결과는 원격 클라우드 기반 양자 리소스를 통해 더 무거운 핵에 대한 양자 기반 연구의 길을 열었습니다.

양자 컴퓨팅은 속도를 넘어 확장됩니다. 이는 기계가 정보를 처리하는 방식을 변화시킵니다. 기존 컴퓨터는 0 또는 1인 비트를 사용하지만 양자 비트(큐비트)는 두 상태가 동시에 중첩되어 존재할 수 있어 계산 가능성이 크게 확장됩니다.

오크리지 국립연구소(Oak Ridge National Laboratory) 연구원들은 최근 클라우드 기반 양자 프로세서를 사용하여 양성자 1개와 중성자 1개로 구성된 안정적인 핵인 중수소를 시뮬레이션함으로써 이러한 강력함을 입증했습니다.

사용된 도구

이 프로젝트는 Rigetti 19Q 및 IBM QX5 장치에서 복잡한 핵 시뮬레이션을 실행하도록 설계된 코드로 2017년 말에 시작되었습니다. 여러 하드웨어 플랫폼을 사용하면 다양한 양자 아키텍처 전반에 걸쳐 결과를 검증하는 데 도움이 되었습니다.

팀은 오픈 소스 Python 라이브러리 pyQuil을 활용했습니다. —Rigetti와 IBM 시스템 모두에서 실행되는 하드웨어별 코드를 생성하기 위한 양자 명령 언어 프로그램 작성 도구입니다.

무엇을 측정했나요?

연구진은 양자 컴퓨팅을 사용하여 700,000회 이상의 개별 측정을 수행하여 중수소의 결합(또는 분리) 에너지, 즉 양성자와 중성자로 분해하는 데 필요한 최소 에너지를 결정했습니다.

중성자(파란색)와 양성자(빨간색)의 결합 상태인 중수소. 이미지 출처:앤디 스프롤스

듀테론을 선택하는 것은 전략적이었습니다. 듀테론은 가장 단순한 복합 핵이고 매우 안정적이며 해수에 자연적으로 풍부하여 양자 시뮬레이션을 위한 이상적인 테스트 케이스입니다.

참조:Phys. Lett 목사. 120, 210501(2018) | 오크리지 국립연구소

큐비트는 양성자나 중성자가 아니지만, 팀은 중수소의 결합 에너지를 시뮬레이션하기 위해 핵 특성을 양자 비트에 매핑했습니다. 그들은 pionless 유효 장 이론을 사용하여 중수소 해밀턴을 구축하고 단일 결합 클러스터 이론을 기반으로 한 변이 파동 함수 ansatz를 사용했습니다. 회로 깊이를 줄이면 모든 작업이 장치의 결맞음 시간 내에 맞춰집니다.

도전과제

원격으로 시뮬레이션을 실행하면 지연 시간이 발생하므로 통계적 신뢰성을 보장하기 위해 각 계산을 8,000번 반복했습니다.

양자 프로세서는 시끄러운 것으로 악명 높습니다. 외부 교란으로 인해 측정 결과가 크게 바뀔 수 있습니다. 이를 완화하기 위해 연구원들은 인공 소음을 주입하고 결과를 제로 노이즈 한계로 추정했습니다.

결과 및 시사점

두 프로세서 모두에 대한 2큐비트 시뮬레이션은 불확실성이 작은 일관된 결과를 생성했습니다. 무한한 공간으로 추정했을 때 계산된 결합 에너지는 알려진 중수소 값의 2% 이내였습니다.

세 번째 큐비트를 추가하면 얽힘 오류로 인해 복잡성이 증가했지만 추정 결과는 정확한 값의 3% 이내로 유지되었습니다.

이러한 성공은 양자 컴퓨터가 간단한 핵 시스템을 정확하게 모델링하고 클라우드 기반 양자 액세스를 통해 더 무거운 핵을 연구할 수 있는 가능성을 암시하여 핵 구조, 요소 형성 및 우주의 기원에 대한 더 깊은 통찰력을 제공할 수 있음을 보여줍니다.