طرح جدیدی برای شبیه‌سازی واکنش‌های هسته‌ای در رایانه‌های کوانتومی

واکنش‌های هسته‌ای که نیروی ستاره‌ها را تامین می‌کنند و عناصر را شکل می‌دهند، از تعامل بین ذرات مکانیکی کوانتومی، پروتون‌ها و نوترون‌ها پدید می‌آیند. توضیح دادن این فرآیندها، یکی از چالش‌برانگیزترین مسائل حل‌ نشده در فیزیک محاسباتی است.

به نقل از ساینمگ، با افزایش جرم هسته‌های در حال برخورد، منابع مورد نیاز برای مدل‌سازی آنها حتی از قوی‌ترین رایانه‌های معمولی پیشی می‌گیرد. رایانه‌های کوانتومی می‌توانند محاسبات لازم را انجام دهند اما آنها در حال حاضر تعداد مورد نیاز را از بیت کوانتومی قابل اعتماد و با عمر طولانی ندارند.

گروهی از پژوهشگران «دانشگاه واشنگتن»(UW)، «دانشگاه ترنتو»(University of Trento) و «آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور»(LLNL)، رایانه‌های معمولی و کوانتومی را ترکیب کردند تا چشم‌انداز حل این مشکل را به میزان قابل توجهی سرعت ببخشند.

پژوهشگران با موفقیت از طرح محاسبات ترکیبی برای شبیه‌سازی پراکندگی دو نوترون استفاده کردند. این کار، روزنه‌ای را به سوی محاسبه سرعت واکنش هسته‌ای باز می‌کند که اندازه‌گیری آن در آزمایشگاه دشوار یا غیرممکن است. این محاسبات شامل میزان واکنش هستند که در حوزه‌های اخترفیزیک و امنیت ملی نقش دارند.

این طرح ترکیبی، به شبیه‌سازی ویژگی‌های سایر سیستم‌های مکانیکی کوانتومی نیز کمک می‌کند. به عنوان مثال، می‌تواند به پژوهشگران در مطالعه پراکندگی الکترون‌ها با ارتعاشات اتمی کوانتیزه‌شده به نام فونون‌ها کمک کند که فرآیند زیربنای ابررسانایی است.

این گروه پژوهشی، یک الگوریتم ترکیبی را برای شبیه‌سازی در لحظه پویایی سیستم‌های مکانیکی کوانتومی ذرات ارائه دادند. در این رویکرد ترکیبی، تکامل زمانی مختصات فضایی ذرات روی یک پردازنده کلاسیک انجام می‌شود و تکامل متغیرهای آنها روی سخت‌افزار کوانتومی انجام می‌گیرد.

پژوهشگران این طرح ترکیبی را با شبیه‌سازی پراکندگی دو نوترون در پلتفرم «بستر آزمایش کوانتومی پیشرفته»(AQT) نشان دادند. این نمایش پس از اجرای راهبردهای کاهش خطا برای بهبود دقت الگوریتم و اتخاذ روش‌های نظری و تجربی برای آشکار کردن از دست دادن انسجام کوانتومی، اصل طرح پیشنهادی هم‌پردازش را تأیید کرد.

حتی با سادگی سیستم نمایشی مورد مطالعه این پروژه، نتایج نشان می‌دهند که تعمیم طرح ترکیبی حاضر ممکن است مسیر امیدوارکننده‌ای را برای شبیه‌سازی آزمایش‌های پراکندگی کوانتومی با کمک یک رایانه کوانتومی فراهم کند.

این الگوریتم ترکیبی با استفاده از پلتفرم‌های کوانتومی آینده با زمان‌های انسجام طولانی‌تر و وفاداری کوانتومی بالاتر، امکان محاسبه دقیق واکنش‌های هسته‌ای پیچیده را فراهم می‌کند که برای اخترفیزیک و کاربردهای علوم هسته‌ای در حوزه فناوری مهم هستند.