Première simulation informatique quantique d’un noyau de deutéron
- Les physiciens nucléaires ont, pour la première fois, simulé un noyau atomique sur un ordinateur quantique.
- L'équipe a écrit du code qui s'exécutait sur les processeurs quantiques Rigetti 19Q et IBM QX5 accessibles via le cloud.
- Ces premiers résultats ouvrent la voie à des études quantiques de noyaux plus lourds grâce à des ressources quantiques distantes basées sur le cloud.
L’informatique quantique va au-delà de la vitesse ; il transforme la façon dont les machines traitent les informations. Alors que les ordinateurs classiques utilisent des bits qui sont 0 ou 1, les bits quantiques (qubits) peuvent exister simultanément dans une superposition des deux états, élargissant ainsi considérablement les possibilités de calcul.
Des chercheurs du laboratoire national d'Oak Ridge ont récemment démontré ce pouvoir en simulant un deuton (un noyau stable composé d'un proton et d'un neutron) à l'aide de processeurs quantiques basés sur le cloud.
Outils utilisés
Le projet a débuté fin 2017 avec un code conçu pour exécuter des simulations nucléaires complexes sur les appareils Rigetti 19Q et IBM QX5. L'utilisation de plusieurs plates-formes matérielles a permis de valider les résultats sur différentes architectures quantiques.
L'équipe a exploité la bibliothèque Python open source pyQuil – un outil pour écrire des programmes en langage d'instructions quantiques – pour générer du code spécifique au matériel qui a été exécuté sur les machines Rigetti et IBM.
Qu'est-ce qui a été mesuré ?
Grâce à l'informatique quantique, les chercheurs ont effectué plus de 700 000 mesures individuelles pour déterminer l'énergie de liaison (ou de séparation) du deuton, l'énergie minimale requise pour le diviser en un proton et un neutron.
Un deuton, l'état lié d'un neutron (bleu) et d'un proton (rouge). Crédit image :Andy Sproles
Le choix du deuton était stratégique :il s'agit du noyau composite le plus simple, hautement stable et naturellement abondant dans l'eau de mer, ce qui en fait un cas de test idéal pour la simulation quantique.
Référence :Phys. Le révérend Lett. 120, 210501 (2018) | Laboratoire national d'Oak Ridge
Bien que les qubits ne soient ni des protons ni des neutrons, l’équipe a cartographié les propriétés nucléaires sur des bits quantiques pour simuler l’énergie de liaison du deuton. Ils ont construit un hamiltonien de deuton en utilisant la théorie du champ effectif sans pion et ont employé une ansatz de fonction d'onde variationnelle basée sur la théorie unitaire des clusters couplés. En réduisant la profondeur du circuit, toutes les opérations s'inscrivent dans le temps de décohérence de l'appareil.
Défis rencontrés
L'exécution des simulations à distance a introduit une latence, de sorte que chaque calcul a été répété 8 000 fois pour garantir la fiabilité statistique.
Les processeurs quantiques sont notoirement bruyants. Les perturbations externes peuvent modifier considérablement les résultats des mesures. Pour atténuer ce problème, les chercheurs ont injecté du bruit artificiel et extrapolé les résultats jusqu'à la limite de zéro bruit.
Résultats et implications
Les simulations à deux qubits sur les deux processeurs ont produit des résultats cohérents avec de faibles incertitudes. Lorsqu'elle est extrapolée à un espace infini, l'énergie de liaison calculée se situe à moins de 2 % de la valeur connue du deuton.
L'ajout d'un troisième qubit a augmenté la complexité en raison d'erreurs d'intrication, mais le résultat extrapolé est resté à moins de 3 % de la valeur exacte.
Ces succès démontrent que les ordinateurs quantiques peuvent modéliser avec précision des systèmes nucléaires simples et laisser entrevoir le potentiel d'étudier des noyaux plus lourds grâce à un accès quantique basé sur le cloud, offrant ainsi des informations plus approfondies sur la structure nucléaire, la formation des éléments et les origines de l'univers.
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