Simulasi Komputer Kuantum Pertama dari Inti Deuteron
- Fisikawan nuklir, untuk pertama kalinya, menyimulasikan inti atom pada komputer kuantum.
- Tim menulis kode yang dijalankan pada prosesor kuantum Rigetti 19Q dan IBM QX5 yang diakses melalui cloud.
- Hasil awal ini membuka jalan bagi studi inti atom yang lebih berat berbasis kuantum melalui sumber daya kuantum jarak jauh berbasis cloud.
Komputasi kuantum melampaui kecepatan; itu mengubah cara mesin memproses informasi. Meskipun komputer klasik menggunakan bit 0 atau 1, bit kuantum (qubit) dapat berada dalam superposisi kedua keadaan secara bersamaan, sehingga memperluas kemungkinan komputasi secara signifikan.
Para peneliti di Laboratorium Nasional Oak Ridge baru-baru ini mendemonstrasikan kekuatan ini dengan menyimulasikan deuteron—inti stabil yang terbuat dari satu proton dan satu neutron—menggunakan prosesor kuantum berbasis awan.
Alat yang Digunakan
Proyek ini dimulai pada akhir tahun 2017 dengan kode yang dirancang untuk menjalankan simulasi nuklir kompleks pada perangkat Rigetti 19Q dan IBM QX5. Penggunaan berbagai platform perangkat keras membantu memvalidasi hasil di berbagai arsitektur kuantum.
Tim ini memanfaatkan pustaka Python sumber terbuka pyQuil —alat untuk menulis program bahasa instruksi kuantum—untuk menghasilkan kode khusus perangkat keras yang dieksekusi pada mesin Rigetti dan IBM.
Apa yang Diukur?
Dengan menggunakan komputasi kuantum, para peneliti melakukan lebih dari 700.000 pengukuran individual untuk menentukan energi pengikatan (atau pemisahan) deuteron—energi minimum yang diperlukan untuk memecahnya menjadi proton dan neutron.
Deuteron, keadaan terikat neutron (biru) dan proton (merah). Kredit gambar:Andy Sproles
Pemilihan deuteron sangatlah strategis:deuteron merupakan inti komposit yang paling sederhana, sangat stabil, dan berlimpah secara alami dalam air laut, sehingga menjadikannya sebagai uji coba yang ideal untuk simulasi kuantum.
Referensi:Fisika. Pendeta Lett. 120, 210501 (2018)
| Laboratorium Nasional Oak Ridge
Meskipun qubit bukanlah proton atau neutron, tim memetakan sifat nuklir ke bit kuantum untuk mensimulasikan energi pengikatan deuteron. Mereka membangun deuteron Hamiltonian menggunakan teori medan efektif tanpa pion dan menggunakan fungsi gelombang variasi ansatz berdasarkan teori cluster berpasangan kesatuan. Dengan mengurangi kedalaman sirkuit, semua pengoperasian sesuai dengan waktu dekoherensi perangkat.
Tantangan yang Dihadapi
Menjalankan simulasi dari jarak jauh akan menimbulkan latensi, sehingga setiap penghitungan diulang 8.000 kali untuk memastikan keandalan statistik.
Prosesor kuantum terkenal berisik. Gangguan eksternal dapat mengubah hasil pengukuran secara signifikan. Untuk memitigasi hal ini, para peneliti memasukkan kebisingan buatan dan mengekstrapolasi hasil ke batas nol kebisingan.
Hasil dan Implikasi
Simulasi dua qubit pada kedua prosesor menghasilkan hasil yang konsisten dengan ketidakpastian yang kecil. Ketika diekstrapolasi ke ruang tak terbatas, energi pengikatan yang dihitung berada dalam 2% dari nilai deuteron yang diketahui.
Menambahkan qubit ketiga meningkatkan kompleksitas karena kesalahan keterjeratan, namun hasil ekstrapolasi tetap berada dalam 3% dari nilai sebenarnya.
Keberhasilan ini menunjukkan bahwa komputer kuantum dapat secara akurat memodelkan sistem nuklir sederhana dan memberikan petunjuk mengenai potensi mempelajari inti atom yang lebih berat melalui akses kuantum berbasis cloud, sehingga menawarkan wawasan yang lebih mendalam tentang struktur nuklir, pembentukan unsur, dan asal usul alam semesta.
