Primera Simulación en Computadora Cuántica de un Núcleo de Deuterón

• Físicos nucleares han simulado, por primera vez, un núcleo atómico en una computadora cuántica.
• El equipo escribió código que ejecutó en procesadores cuánticos Rigetti 19Q e IBM QX5 accedidos vía nube.
• Estos resultados iniciales allanan camino para estudios cuánticos de núcleos más pesados mediante recursos cuánticos remotos basados en nube.

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

Investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge demostraron recientemente este poder simulando un deuterón —núcleo estable formado por un protón y un neutrón— usando procesadores cuánticos basados en nube.

Herramientas Utilizadas

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

El equipo aprovechó la librería Python open-source pyQuil —herramienta para escribir programas en lenguaje de instrucciones cuánticas— para generar código específico de hardware ejecutado en máquinas Rigetti e IBM.

Qué se Midió

Usando computación cuántica, los investigadores realizaron más de 700.000 mediciones individuales para determinar la energía de enlace (o separación) del deuterón —energía mínima requerida para romperlo en protón y neutrón.

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

Elegir el deuterón fue estratégico: es el núcleo compuesto más simple, altamente estable y naturalmente abundante en agua de mar, caso de prueba ideal para simulación cuántica.

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

Aunque qubits no son protones o neutrones, el equipo mapeó propiedades nucleares a bits cuánticos para simular la energía de enlace del deuterón. Construyeron un Hamiltoniano de deuterón usando teoría de campo efectivo sin piones y emplearon ansatz de función de onda variacional basado en teoría de cluster acoplado unitario. Reduciendo profundidad de circuito, todas las operaciones caben dentro del tiempo de decoherencia del dispositivo.

Retos Enfrentados

Ejecutar simulaciones remotamente introdujo latencia, así que cada cálculo se repitió 8.000 veces para asegurar fiabilidad estadística.

Los procesadores cuánticos son notoriamente ruidosos. Perturbaciones externas pueden alterar significativamente resultados de medición. Para mitigar esto, investigadores inyectaron ruido artificial y extrapolaron resultados al límite de ruido cero.

Resultados e Implicaciones

Simulaciones de dos qubits en ambos procesadores produjeron resultados consistentes con pequeñas incertidumbres. Extrapolados a espacio infinito, la energía de enlace calculada estuvo dentro del 2 % del valor conocido del deuterón.

Añadir un tercer qubit aumentó complejidad por errores de entrelazamiento, pero resultado extrapolado permaneció dentro del 3 % del valor exacto.

Estos éxitos demuestran que computadoras cuánticas pueden modelar con precisión sistemas nucleares simples y sugieren potencial para estudiar núcleos más pesados mediante acceso cuántico basado en nube, ofreciendo insights más profundos en estructura nuclear, formación de elementos y orígenes del universo.