Primera simulación por computadora cuántica de un núcleo de Deuterón

• Los físicos nucleares han simulado, por primera vez, un núcleo atómico en una computadora cuántica.
• El equipo escribió código que se ejecutaba en los procesadores cuánticos Rigetti 19Q e IBM QX5 a los que se accedía a través de la nube.
• Estos resultados iniciales allanan el camino para estudios cuánticos de núcleos más pesados a través de recursos cuánticos remotos basados en la nube.

La computación cuántica va más allá de la velocidad; transforma la forma en que las máquinas procesan la información. Mientras que las computadoras clásicas usan bits que son 0 o 1, los bits cuánticos (qubits) pueden existir en una superposición de ambos estados simultáneamente, ampliando enormemente las posibilidades computacionales.

Los investigadores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge demostraron recientemente este poder simulando un deuterón (un núcleo estable formado por un protón y un neutrón) utilizando procesadores cuánticos basados en la nube.

Herramientas utilizadas

El proyecto comenzó a finales de 2017 con un código diseñado para ejecutar simulaciones nucleares complejas en los dispositivos Rigetti 19Q e IBM QX5. El uso de múltiples plataformas de hardware ayudó a validar los resultados en diferentes arquitecturas cuánticas.

El equipo aprovechó la biblioteca Python de código abierto pyQuil (una herramienta para escribir programas en lenguaje de instrucción cuántica) para generar código específico de hardware que se ejecutó en máquinas Rigetti e IBM.

¿Qué se midió?

Utilizando la computación cuántica, los investigadores realizaron más de 700.000 mediciones individuales para determinar la energía de unión (o separación) del deuterón, la energía mínima necesaria para dividirlo en un protón y un neutrón.

Un deuterón, el estado unido de un neutrón (azul) y un protón (rojo). Crédito de la imagen:Andy Sproles

La elección del deuterón fue estratégica:es el núcleo compuesto más simple, muy estable y naturalmente abundante en el agua de mar, lo que lo convierte en un caso de prueba ideal para la simulación cuántica.

Referencia:Phys. Rev. Lett. 120, 210501 (2018) | Laboratorio Nacional de Oak Ridge

Aunque los qubits no son protones ni neutrones, el equipo mapeó propiedades nucleares en bits cuánticos para simular la energía de enlace del deuterón. Construyeron un hamiltoniano deuterónico utilizando la teoría de campos efectivos sin piones y emplearon un ansatz de función de onda variacional basado en la teoría de conglomerados unitarios acoplados. Al reducir la profundidad del circuito, todas las operaciones se ajustan al tiempo de decoherencia del dispositivo.

Desafíos enfrentados

La ejecución de las simulaciones de forma remota introdujo latencia, por lo que cada cálculo se repitió 8000 veces para garantizar la confiabilidad estadística.

Los procesadores cuánticos son notoriamente ruidosos. Las perturbaciones externas pueden alterar significativamente los resultados de las mediciones. Para mitigar esto, los investigadores inyectaron ruido artificial y extrapolaron los resultados al límite de ruido cero.

Resultados e implicaciones

Las simulaciones de dos qubits en ambos procesadores produjeron resultados consistentes con pequeñas incertidumbres. Cuando se extrapola al espacio infinito, la energía de enlace calculada estaba dentro del 2% del valor conocido de Deuterón.

Agregar un tercer qubit aumentó la complejidad debido a errores de entrelazamiento, pero el resultado extrapolado se mantuvo dentro del 3% del valor exacto.

Estos éxitos demuestran que las computadoras cuánticas pueden modelar con precisión sistemas nucleares simples e insinúan el potencial para estudiar núcleos más pesados a través del acceso cuántico basado en la nube, ofreciendo conocimientos más profundos sobre la estructura nuclear, la formación de elementos y los orígenes del universo.