Primeira simulação por computador quântico de um núcleo de Deuteron

• Físicos nucleares simularam, pela primeira vez, um núcleo atômico em um computador quântico.
• A equipe escreveu um código que foi executado nos processadores quânticos Rigetti 19Q e IBM QX5 acessados pela nuvem.
• Esses resultados iniciais abrem caminho para estudos quânticos de núcleos mais pesados por meio de recursos quânticos remotos baseados em nuvem.

A computação quântica vai além da velocidade; transforma a forma como as máquinas processam informações. Embora os computadores clássicos usem bits 0 ou 1, os bits quânticos (qubits) podem existir em uma superposição de ambos os estados simultaneamente, expandindo enormemente as possibilidades computacionais.

Pesquisadores do Laboratório Nacional de Oak Ridge demonstraram recentemente esse poder simulando um deutério – um núcleo estável feito de um próton e um nêutron – usando processadores quânticos baseados em nuvem.

Ferramentas usadas

O projeto começou no final de 2017 com código projetado para executar simulações nucleares complexas nos dispositivos Rigetti 19Q e IBM QX5. O emprego de múltiplas plataformas de hardware ajudou a validar os resultados em diferentes arquiteturas quânticas.

A equipe aproveitou a biblioteca Python de código aberto pyQuil —uma ferramenta para escrever programas em linguagem de instrução quântica — para gerar código específico de hardware que foi executado em máquinas Rigetti e IBM.

O que foi medido?

Usando a computação quântica, os pesquisadores realizaram mais de 700.000 medições individuais para determinar a energia de ligação (ou separação) do deutério – a energia mínima necessária para quebrá-lo em um próton e um nêutron.

Um deutério, o estado ligado de um nêutron (azul) e um próton (vermelho). Crédito da imagem:Andy Sproles

A escolha do deutério foi estratégica:é o núcleo composto mais simples, altamente estável e naturalmente abundante na água do mar, o que o torna um caso de teste ideal para simulação quântica.

Referência:Phys. Rev. 120, 210501 (2018) | Laboratório Nacional de Oak Ridge

Embora os qubits não sejam prótons ou nêutrons, a equipe mapeou as propriedades nucleares em bits quânticos para simular a energia de ligação do deutério. Eles construíram um hamiltoniano de deutério usando a teoria de campo efetivo sem pion e empregaram uma função de onda variacional ansatz baseada na teoria de cluster acoplado unitário. Ao reduzir a profundidade do circuito, todas as operações cabem no tempo de decoerência do dispositivo.

Desafios enfrentados

A execução remota das simulações introduziu latência, de modo que cada cálculo foi repetido 8.000 vezes para garantir a confiabilidade estatística.

Os processadores Quantum são notoriamente barulhentos. Perturbações externas podem alterar significativamente os resultados da medição. Para mitigar esta situação, os investigadores injetaram ruído artificial e extrapolaram os resultados para o limite de ruído zero.

Resultados e implicações

Simulações de dois qubits em ambos os processadores produziram resultados consistentes com pequenas incertezas. Quando extrapolada para o espaço infinito, a energia de ligação calculada estava dentro de 2% do valor conhecido do deutério.

Adicionar um terceiro qubit aumentou a complexidade devido a erros de emaranhamento, mas o resultado extrapolado permaneceu dentro de 3% do valor exato.

Estes sucessos demonstram que os computadores quânticos podem modelar com precisão sistemas nucleares simples e sugerir o potencial para estudar núcleos mais pesados através do acesso quântico baseado na nuvem, oferecendo conhecimentos mais profundos sobre a estrutura nuclear, a formação de elementos e as origens do universo.