核物理学家第一次模拟原子核就跃入量子计算

美国能源部橡树岭国家实验室的科学家是第一个用量子计算机成功模拟原子核的科学家。这一结果发表在《物理评论快报》上，展示了量子系统计算核物理问题的能力，并作为未来计算的基准。量子计算是由美国理论物理学家理查德·费曼在20世纪80年代初提出的，它是根据物质的量子原理进行计算的。与普通的计算机比特不同，量子计算机使用的量子位单位存储在两种状态系统中的信息，比如电子或光子，它们被认为是同时存在于所有可能的量子态(一种被称为叠加态的现象)。

一个氘核的图像，一个质子和一个中子的束缚态。图片：Andrew Sproles, Oak Ridge National Laboratory

ORNL量子信息专家Pavel Lougovski和田纳西大学的理论核物理学家Thomas Papenbrock共同领导这个项目：在经典计算中，用0和1来写，但是有了一个量子位，就可以拥有零、一个和任何可能的零和一个组合，因此获得了大量的存储数据的可能性。在2017年10月，multidivisional ORNL团队开始开发代码，通过DOE的量子Testbed Pathfinder项目对IBM QX5和Rigetti 19Q量子计算机进行模拟，以验证和验证不同量子硬件类型的科学应用。

研究人员使用免费的py奎尔软件(一种用于在量子指令语言中制作程序的库)编写了一段代码，先发送到模拟器，然后再发送到基于云的IBM QX5和Rigetti 19Q系统。该研究团队完成了超过70万次的量子计算，测量了氘核的能量，质子和中子的原子核束缚态。从这些测量中，研究小组提取了氘核的结合能——将其分解成这些亚原子粒子所需的最小能量。氘核是最简单的复合原子核，使它成为该项目的理想候选。

量子位是量子两态系统的通用版本。它们没有中子或质子的特性，可以将这些属性映射到量子位，然后用它们来模拟特定的现象——在这种情况下，就是结合能。与这些量子系统合作的一个挑战是，科学家必须远程运行模拟，然后等待结果。ORNL计算机科学研究员Alex McCaskey和ORNL量子信息研究科学家Eugene Dumitrescu对每一个测量数据进行了8000次的测量，以确保其结果的统计准确性。在互联网上做这件事真的很难，这个算法主要是由硬件供应商自己完成的，他们实际上可以触摸到机器正在转动旋钮。

研究小组还发现，由于芯片上固有的噪声，量子设备变得难以处理，这将极大地改变结果。McCaskey和Dumitrescu成功地采用了策略来降低高错误率，例如人为地在模拟中添加更多的噪声，以观察其影响，并推断出零噪声的结果。位于ORNL的橡树岭领导计算设施(OLCF)的科学计算小组的计算科学家Gustav Jansen说：这些系统真的很容易受到噪音的影响。如果粒子进入并撞击量子计算机，它真的会扭曲你的测量值。这些系统并不完美，但在与它们一起工作时，可以更好地理解内在错误。

在项目完成时，团队的两个和三个量子位的结果在一个经典计算机上的正确答案分别为2%和3%，而量子计算在核物理学界成为第一个。在未来的量子系统中，理论上的原理模拟为计算更重的原子核和更多的质子和中子铺平了道路。量子计算机在密码学、人工智能和天气预报方面都有潜在的应用，因为每一个额外的量子位都会被纠缠或与其他的量子纠缠在一起，从而成倍地增加最终被测状态的可能结果的数量。

然而，这种好处也会对系统产生不利的影响，因为错误可能会随着问题的大小呈指数级增长。Papenbrock说，研究小组的希望是，改进后的硬件将最终使科学家能够解决传统高性能计算资源无法解决的问题——即使是在OLCF的问题上。在未来，复杂原子核的量子计算可以解开有关物质性质、重元素形成和宇宙起源的重要细节。这项名为“原子核云量子计算”的研究结果发表在《物理评论快报》上。

博科园-科学科普｜参考期刊文献：物理评论快报｜来自：橡树岭国家实验室