Les scientifiques du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie sont les premiers à simuler avec succès un noyau atomique à l'aide d'un ordinateur quantique. Les résultats, Publié dans Lettres d'examen physique , démontrer la capacité des systèmes quantiques à calculer des problèmes de physique nucléaire et servir de référence pour les calculs futurs.

L'informatique quantique, dans lequel des calculs sont effectués sur la base des principes quantiques de la matière, a été proposé par le physicien théoricien américain Richard Feynman au début des années 1980. Contrairement aux bits informatiques normaux, les unités qubit utilisées par les ordinateurs quantiques stockent des informations dans des systèmes à deux états, comme les électrons ou les photons, qui sont considérés comme étant dans tous les états quantiques possibles à la fois (un phénomène connu sous le nom de superposition).

« En informatique classique, vous écrivez en bits de zéro et un, " dit Thomas Papenbrock, un physicien nucléaire théorique de l'Université du Tennessee et de l'ORNL qui a codirigé le projet avec le spécialiste de l'information quantique de l'ORNL, Pavel Lougovski. "Mais avec un qubit, tu peux avoir zéro, une, et toute combinaison possible de zéro et un, vous bénéficiez ainsi d'un vaste ensemble de possibilités pour stocker des données."

En octobre 2017, l'équipe multidivisionnelle ORNL a commencé à développer des codes pour effectuer des simulations sur les ordinateurs quantiques IBM QX5 et Rigetti 19Q dans le cadre du projet Quantum Testbed Pathfinder du DOE, un effort pour vérifier et valider des applications scientifiques sur différents types de matériel quantique. En utilisant le logiciel pyQuil disponible gratuitement, une bibliothèque conçue pour produire des programmes dans le langage d'instruction quantique, les chercheurs ont écrit un code qui a d'abord été envoyé à un simulateur, puis aux systèmes IBM QX5 et Rigetti 19Q basés sur le cloud.

L'équipe a réalisé plus de 700, 000 mesures de calcul quantique de l'énergie d'un deutéron, l'état lié nucléaire d'un proton et d'un neutron. A partir de ces mesures, l'équipe a extrait l'énergie de liaison du deutéron, la quantité minimale d'énergie nécessaire pour le désassembler en ces particules subatomiques. Le deutéron est le noyau atomique composite le plus simple, ce qui en fait un candidat idéal pour le projet.

"Les qubits sont des versions génériques des systèmes quantiques à deux états. Ils n'ont pas les propriétés d'un neutron ou d'un proton pour commencer, " a déclaré Lougovski. " Nous pouvons cartographier ces propriétés en qubits, puis les utiliser pour simuler des phénomènes spécifiques - dans ce cas, énergie de liaison."

Un défi de travailler avec ces systèmes quantiques est que les scientifiques doivent exécuter des simulations à distance, puis attendre les résultats. Le chercheur en informatique de l'ORNL Alex McCaskey et le chercheur en information quantique de l'ORNL Eugene Dumitrescu ont effectué des mesures uniques 8, 000 fois chacun pour assurer l'exactitude statistique de leurs résultats.

"C'est vraiment difficile de faire ça sur Internet, " a déclaré McCaskey. " Cet algorithme a été fait principalement par les fournisseurs de matériel eux-mêmes, et ils peuvent réellement toucher la machine. Ils tournent les boutons."

L'équipe a également découvert que les dispositifs quantiques deviennent difficiles à utiliser en raison du bruit inhérent à la puce, ce qui peut modifier considérablement les résultats. McCaskey et Dumitrescu ont utilisé avec succès des stratégies pour atténuer les taux d'erreur élevés, comme ajouter artificiellement plus de bruit à la simulation pour voir son impact et en déduire quels seraient les résultats sans bruit.

"Ces systèmes sont vraiment sensibles au bruit, " a déclaré Gustav Jansen, un informaticien au sein du Scientific Computing Group de l'Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science située à ORNL. "Si des particules entrent et frappent l'ordinateur quantique, cela peut vraiment fausser vos mesures. Ces systèmes ne sont pas parfaits, mais en travaillant avec eux, nous pouvons mieux comprendre les erreurs intrinsèques."

A la fin du projet, les résultats de l'équipe sur deux et trois qubits se situaient entre 2 et 3 %, respectivement, de la bonne réponse sur un ordinateur classique, et le calcul quantique est devenu le premier du genre dans la communauté de la physique nucléaire.

La simulation de preuve de principe ouvre la voie au calcul de noyaux beaucoup plus lourds avec beaucoup plus de protons et de neutrons sur les systèmes quantiques à l'avenir. Les ordinateurs quantiques ont des applications potentielles en cryptographie, intelligence artificielle, et les prévisions météorologiques car chaque qubit supplémentaire s'enchevêtre - ou est inextricablement lié - aux autres, augmentant de façon exponentielle le nombre de résultats possibles pour l'état mesuré à la fin. Cet avantage même, cependant, a également des effets négatifs sur le système car les erreurs peuvent également évoluer de manière exponentielle avec la taille du problème.

Papenbrock a déclaré que l'équipe espère qu'un matériel amélioré permettra éventuellement aux scientifiques de résoudre des problèmes qui ne peuvent pas être résolus avec des ressources informatiques hautes performances traditionnelles, même pas avec celles de l'OLCF. À l'avenir, les calculs quantiques de noyaux complexes pourraient révéler des détails importants sur les propriétés de la matière, la formation d'éléments lourds, et les origines de l'univers.

Résultats de l'étude, intitulé "Cloud Quantum Computing of an Atomic Nucleus, " ont été publiés dans Lettres d'examen physique .