能源部橡树岭国家实验室的科学家是第一个使用量子计算机成功模拟原子核的人。“ 物理评论快报”发表的结果证明了量子系统计算核物理问题的能力，并且可以作为未来计算的基准。

量子计算是美国理论物理学家理查德费曼在20世纪80年代初提出的，其中计算是基于物质的量子原理进行的。与普通的计算机比特不同，量子计算机使用的量子比特单元将信息存储在两态系统中，例如电子或光子，这些系统被认为是同时处于所有可能的量子态（称为叠加现象）。

“在经典计算中，你写的是零和一位，”田纳西大学和ORNL的理论核物理学家Thomas Papenbrock说，他与ORNL量子信息专家Pavel Lougovski共同领导了这个项目。“但是通过一个量子位，你可以有零个，一个零和一个任意可能的组合，因此你可以获得大量存储数据的可能性。”

2017年10月，多分区ORNL团队开始开发代码，通过美国能源部Quantum Testbed Pathfinder项目对IBM QX5和Rigetti 19Q量子计算机进行仿真，以验证和验证不同量子硬件类型的科学应用。研究人员使用免费提供的pyQuil软件（一种专为量子指令语言制作程序而设计的库）编写了一个代码，首先将代码发送给仿真器，然后发送给基于云的IBM QX5和Rigetti 19Q系统。

该团队对氘核的能量，质子和中子的核束缚态进行了70多万次量子计算测量。从这些测量结果中，团队提取了氘核的结合能 - 将其拆分成这些亚原子粒子所需的最小能量。氘核是最简单的复合原子核，使其成为该项目的理想候选者。

“Qubits是量子双态系统的通用版本，它们没有中子或质子的特性，”Lougovski说。“我们可以将这些性质映射到量子位，然后用它们来模拟特定的现象 - 在这种情况下，绑定能量。”

与这些量子系统一起工作的挑战是科学家必须远程模拟运行，然后等待结果。ORNL计算机科学研究员Alex McCaskey和ORNL量子信息研究科学家Eugene Dumitrescu每次进行单次测量8000次，以确保其结果的统计准确性。

“通过互联网做这件事真的很困难，”McCaskey说。“这种算法主要由硬件厂商自己完成，他们实际上可以触摸机器，他们正在旋转旋钮。”

该团队还发现，量子器件由于芯片固有的噪声而变得棘手，这可能会大大改变结果。McCaskey和Dumitrescu成功地采取了策略来缓解高错误率，例如人为地将更多的噪声添加到模拟中以查看其影响，并推断零噪声的结果。

“这些系统真的很容易受到噪音的影响，”位于ORNL的美国能源部科学用户设施办公室的橡树岭领导计算机构（OLCF）科学计算组的科学家Gustav Jansen说。“如果粒子进入并击中量子计算机，它可能会扭曲你的测量结果，这些系统并不完美，但在与他们合作时，我们可以更好地理解内在错误。”

在项目完成时，团队在两个和三个量子比特上的结果分别在经典计算机上的正确答案的2％和3％之内，量子计算成为核物理界的首例。

原理验证模拟为将来在量子系统上计算更多更重质子核和更多质子和中子铺平了道路。量子计算机在密码学，人工智能和天气预报中具有潜在的应用，因为每个额外的量子位与其他量子位纠缠在一起 - 或者与其他量子位无法排除 - 会以指数方式增加最终测量状态的可能结果数量。然而，这种好处对系统也有不利影响，因为错误也可能随着问题规模呈指数级增长。

Papenbrock表示，该团队希望改进后的硬件最终能够帮助科学家解决传统高性能计算资源无法解决的问题 - 即使在OLCF上也无法解决。未来，复杂核的量子计算可能会揭示关于物质性质，重元素形成以及宇宙起源的重要细节。