Quantumcomputers simuleren voor het eerst een atoomkern

Voor het eerst is een atoomkern gesimuleerd door een quantumcomputer. Amerikaanse onderzoekers lieten twee openbaar toegankelijke quantumcomputers succesvol de bindingsenergie van een deuteron simuleren.

deuteron atoom
Een impressie van een deuteron, die bestaat uit een proton en een neutron. Bron: Andrew Sproles, Oak Ridge National Laboratory

Deuteron is een van de meest simpele atoomkernen. Het bestaat uit één proton en één neutron. ‘Deuteron is theoretisch en experimenteel goed begrepen’, zegt Thomas Papenbrock van de University of Tennessee. De simulatie op de quantumcomputers leerden de onderzoekers dus niets nieuws over deuteron. Maar omdat een atoomkern een quantummechanisch systeem is, is het een geschikt testobject voor de eerste (prototype) quantumcomputer.

‘We wilden laten zien dat een simpel, maar realistisch probleem opgelost kan worden met deze apparaten, voordat we ook maar beginnen met het bedenken van ambitieuzere projecten’, zegt Papenbrock.

IBM QX5 en Rigetti 19Q

Voor hun test maakten de onderzoekers gebruik van twee vrij toegankelijke quantumcomputers die ze op afstand opdrachten kunnen geven: de IBM QX5 en de Rigetti 19Q. Die bestaan respectievelijk uit 16 en 19 qubits, de informatie-eenheden waarmee een quantumcomputer rekent. Qubits zijn vergelijkbaar met bits in een gewone computer. Maar in tegenstelling tot gewone bits, die een ‘1’ of een ‘0’ zijn, zijn qubits zowel een ‘1’ als een ‘0’ als alle combinaties er tussenin. Kort gezegd is dat de reden dat quantumcomputers veel sneller kunnen rekenen dan gewone computers.

LEESTIP In De quantumcomputer beschrijft New Scientist-redacteur George van Hal alles over de volgende grote digitale revolutie, waar fysici over de hele wereld nu naartoe werken. € 10,00 Bestel nu in onze webshop.

Dit vreemde quantumgedrag maakt de qubits geschikt om complex quantumgedrag in de quantumchemie en de kernfysica te simuleren.

‘We gebruikten drie qubits van de IBM QX5 en twee van de Rigetti 19Q’, zegt Papenbrock. Daarmee voerden de onderzoekers honderden duizenden berekeningen uit om de energie van de verbinding tussen het neutron en proton te bepalen. Zo vonden ze de bindingsenergie van deuteron. Dat is de minimale energie die nodig is om de atoomkern op te breken in stukken.

De bindingsenergie die de onderzoekers zo berekend hebben, komt goed overeen met de waarde die via theorie en experimenten bewezen is. De eerste kernfysica test op een quantumcomputer is geslaagd.

Quantumfouten

‘De manier waarop de onderzoekers deuteron gesimuleerd hebben met een quantumcomputer is interessant’, zegt Kareljan Schoutens, hoogleraar theoretische fysica aan de Universiteit van Amsterdam en niet betrokken bij het onderzoek. Schoutens is er ook enthousiast over dat IBM en Rigetti hun qubits beschikbaar stellen, zodat (jonge) onderzoekers en studenten er op afstand berekeningen mee kunnen doen. IBM begon hiermee in mei 2016, toen ze vijf qubits hadden.

‘Maar deze proto-quantumcomputers zijn nog niet beter dan de huidige (super)computers’, zegt Schoutens. ‘Pas met ongeveer 50-100 foutvrije qubits kunnen berekeningen gedaan worden die nu onmogelijk zijn.’

Het corrigeren van fouten in qubits is nog erg lastig. De fouten sluipen erin doordat de qubits gevoelig zijn voor ruis in de omgeving. Om te corrigeren voor die fouten is per qubit een groot aantal (in de orde van 100 of meer) extra qubits nodig.

‘De ontwikkelingen gaan razendsnel’, zegt Schoutens. ‘Maar van twintig qubits met fouten naar honderd foutvrije qubits is een grote stap.’

Mis niet langer het laatste wetenschapsnieuws en meld je nu gratis aan voor de nieuwsbrief van New Scientist.

Lees verder:

Plaats een reactie