Première Simulation Quantique d'un Noyau Deutéron sur Ordinateur Quantique

• Des 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 résultats initiaux ouvrent la voie à des études quantiques de noyaux plus lourds via ressources quantiques cloud distantes.

Le calcul quantique va au-delà de la vitesse ; il transforme comment les machines traitent l'information. Alors que les ordinateurs classiques utilisent des bits qui sont soit 0 soit 1, les bits quantiques (qubits) peuvent exister en superposition des deux états simultanément, augmentant vastement les possibilités computationnelles.

Des chercheurs du Laboratoire National Oak Ridge ont récemment démontré ce pouvoir en simulant un deutéron — un noyau stable fait d'un proton et d'un neutron — en utilisant des processeurs quantiques basés cloud.

Outils Utilisés

Le projet a débuté fin 2017 avec du code conçu pour exécuter des simulations nucléaires complexes sur les dispositifs Rigetti 19Q et IBM QX5. L'emploi de multiples plateformes matérielles a aidé à valider les résultats à travers différentes architectures quantiques.

L'équipe a tiré parti de la bibliothèque Python open-source pyQuil — un outil pour écrire des programmes en langage d'instruction quantique — pour générer du code spécifique au matériel exécuté sur les machines Rigetti et IBM.

Ce Qui a Été Mesuré

En utilisant le calcul quantique, les chercheurs ont effectué plus de 700 000 mesures individuelles pour déterminer l'énergie de liaison (ou séparation) du deutéron — l'énergie minimale requise pour le briser en proton et neutron.

Un deutéron, l'état lié d'un neutron (bleu) et d'un proton (rouge). Crédit image : Andy Sproles

Choisir le deutéron était stratégique : c'est le noyau composite le plus simple, hautement stable, et naturellement abondant dans l'eau de mer, en faisant un cas test idéal pour la simulation quantique.

Référence : Phys. Rev. Lett. 120, 210501 (2018) | Laboratoire National Oak Ridge

Bien que les qubits ne soient pas des protons ou neutrons, l'équipe a mappé les propriétés nucléaires sur bits quantiques pour simuler l'énergie de liaison du deutéron. Ils ont construit un hamiltonien deutéron utilisant la théorie de champ effective sans pion et employé une ansatz de fonction d'onde variationnelle basée sur la théorie de cluster unitaire couplée. En réduisant la profondeur du circuit, toutes les opérations tenaient dans le temps de décohérence du dispositif.

Défis Rencontrés

L'exécution des simulations à distance introduisait de la latence, donc chaque calcul a été répété 8 000 fois pour assurer la fiabilité statistique.

Les processeurs quantiques sont notoirement bruités. Les perturbations externes peuvent significativement altérer les résultats de mesure. Pour atténuer ceci, les chercheurs ont injecté du bruit artificiel et extrapolé les résultats vers la limite zéro-bruit.

Résultats et Implications

Les simulations à deux qubits sur les deux processeurs ont produit des résultats cohérents avec de faibles incertitudes. Extrapolé à l'espace infini, l'énergie de liaison calculée était dans les 2 % de la valeur connue du deutéron.

L'ajout d'un troisième qubit a augmenté la complexité due aux erreurs d'intrication, mais le résultat extrapolé restait dans les 3 % de la valeur exacte.

Ces succès démontrent que les ordinateurs quantiques peuvent modéliser avec précision des systèmes nucléaires simples et laissent entrevoir le potentiel d'étudier des noyaux plus lourds via accès quantique cloud, offrant des insights plus profonds sur la structure nucléaire, la formation des éléments, et les origines de l'univers.