Skip to main content

Các nhà vật lý hạt nhân nhảy vào máy tính lượng tử với các mô phỏng đầu tiên của hạt nhân nguyên tử

Biểu diễn đồ họa của một deuteron, trạng thái liên kết của một proton (màu đỏ) và một neutron (màu xanh dương). 
Nhà cung cấp hình ảnh: Andy Sproles / Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ.


Liên hệ qua phương tiện truyền thông
Rachel Harken, Truyền thông
harkenrm@ornl.gov, 865.576.2057

OAK RIDGE, Tenn., Ngày 23 tháng 5 năm 2018 - Các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge của Bộ năng lượng là những người đầu tiên mô phỏng thành công hạt nhân nguyên tử bằng máy tính lượng tử. Kết quả, được công bố trên Physical Review Letters, thể hiện khả năng của các hệ thống lượng tử để tính toán các vấn đề vật lý hạt nhân và phục vụ như một chuẩn mực cho các tính toán trong tương lai.

Máy tính lượng tử, trong đó tính toán được thực hiện dựa trên các nguyên tắc lượng tử của vật chất, được đề xuất bởi nhà vật lý lý thuyết người Mỹ Richard Feynman vào đầu những năm 1980. Không giống như các bit máy tính bình thường, các đơn vị qubit được các máy tính lượng tử sử dụng lưu trữ thông tin trong các hệ thống hai trạng thái, chẳng hạn như electron hoặc photon, được coi là ở tất cả các trạng thái lượng tử khả dĩ cùng một lúc (một hiện tượng được gọi là chồng chất).

Thomas Papenbrock, một nhà vật lý lý thuyết hạt nhân tại Đại học Tennessee và ORNL, đồng dẫn đầu dự án với chuyên gia thông tin lượng tử ORNL Pavel Lougovski, cho biết: “Trong máy tính cổ điển, bạn viết theo ngôn ngữ bit dưới dạng số 0 và 1. Nhưng với một qubit, bạn có thể có 0, 1, và bất kỳ sự tổ hợp khả dĩ của 0 và 1, vì vậy bạn có được một tập hợp rộng lớn các khả dĩ để lưu trữ dữ liệu."

Vào tháng 10 năm 2017, nhóm ORNL đa chiều bắt đầu phát triển các code để thực hiện các mô phỏng trên QX5 của IBM và các máy tính lượng tử Rigetti 19Q thông qua dự án Pathum Testbed Pathfinder của DOE, một nỗ lực để xác minh và xác nhận các ứng dụng khoa học trên các loại phần cứng lượng tử khác nhau. Sử dụng phần mềm pyQuil miễn phí có sẵn, một thư viện được thiết kế để sản xuất các chương trình bằng ngôn ngữ chỉ dẫn lượng tử, các nhà nghiên cứu đã viết một code được gửi đầu tiên tới một chương trình mô phỏng và sau đó đến các hệ thống IBM QX5 và Rigetti 19Q dựa trên đám mây.

Nhóm nghiên cứu đã thực hiện hơn 700.000 phép tính lượng tử của năng lượng của một deuteron, trạng thái liên kết hạt nhân của một proton và một neutron. Từ những phép đo này, nhóm nghiên cứu đã trích xuất năng lượng liên kết của deuteron - năng lượng tối thiểu cần thiết để đưa nó thành các hạt hạ nguyên tử này. Deuteron là hạt nhân nguyên tử phức hợp đơn giản nhất, khiến nó trở thành một ứng cử viên lý tưởng cho dự án.

“Qubits là các phiên bản chung của hệ hai trạng thái lượng tử. Chúng không có tính chất của một neutron hoặc một proton để bắt đầu, chúng ta có thể lập bản đồ các đặc tính này thành các qubit và sau đó sử dụng chúng để mô phỏng các hiện tượng cụ thể - trong trường hợp này là năng lượng liên kết.”, Lougovski nói.

Một thách thức khi làm việc với các hệ thống lượng tử này là các nhà khoa học phải chạy mô phỏng từ xa và sau đó chờ kết quả. Nhà nghiên cứu khoa học máy tính của OrNL, Alex McCaskey và nhà nghiên cứu thông tin lượng tử ORNL, Eugene Dumitrescu, đã chạy các phép đo đơn 8.000 lần để đảm bảo tính chính xác thống kê về kết quả của họ.

“Thật khó để thực hiện điều này qua internet. Thuật toán này đã được thực hiện chủ yếu bởi chính các nhà cung cấp phần cứng và họ thực sự có thể chạm vào máy. Họ đang xoay nút bấm.”, McCaskey nói.

Nhóm nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng các thiết bị lượng tử trở nên phức tạp để làm việc với do nhiễu vốn có trên chip, điều này có thể làm thay đổi kết quả đáng kể. McCaskey và Dumitrescu đã thành công trong việc sử dụng các chiến lược để giảm thiểu tỷ lệ lỗi cao, chẳng hạn như giả tạo thêm nhiễu vào mô phỏng để xem tác động của nó và suy ra kết quả sẽ là gì khi không nhiễu.

Gustav Jansen, một nhà khoa học tính toán thuộc Nhóm Máy tính Khoa học tại Cơ sở Máy tính Lãnh đạo Oak Ridge (OLCF), một Cơ quan Người dùng Khoa học của DOE đặt tại ORNL, nói: “Các hệ thống này rất dễ bị nhiễu. Nếu các hạt đi vào và đập vào máy tính lượng tử, nó có thể thực sự làm lệch số đo của bạn. Các hệ thống này không hoàn hảo, nhưng khi làm việc với chúng, chúng tôi có thể hiểu rõ hơn về các lỗi nội tại”.

Khi hoàn thành dự án, kết quả của nhóm nghiên cứu về hai và ba qubit lần lượt là 2 và 3 phần trăm của đáp án đúng trên một máy tính cổ điển, và việc tính toán lượng tử trở thành loại đầu tiên trong cộng đồng vật lý hạt nhân.

Mô phỏng mới này mở ra con đường cho việc tính toán nhiều hạt nhân nặng hơn với nhiều proton và neutron hơn trên các hệ lượng tử trong tương lai. Máy tính lượng tử có các ứng dụng tiềm năng trong mật mã, trí tuệ nhân tạo và dự báo thời tiết vì mỗi qubit bổ sung trở nên bị mắc vào - hoặc gắn chặt với nhau, với các số khác, tăng theo hàm mũ số lượng kết quả có thể cho trạng thái đo được ở cuối. Tuy nhiên, lợi ích này cũng có tác động bất lợi đối với hệ thống vì các lỗi cũng có thể nhân lên theo hàm mũ với kích thước bài toán.

Papenbrock cho biết hy vọng của nhóm nghiên cứu là phần cứng được cải thiện sẽ giúp các nhà khoa học giải quyết các vấn đề không thể giải quyết được trên các tài nguyên tính toán hiệu suất cao truyền thống — thậm chí không phải trên các tài nguyên tại OLCF. Trong tương lai, tính toán lượng tử của các hạt nhân phức tạp có thể làm sáng tỏ các chi tiết quan trọng về các đặc tính của vật chất, sự hình thành các nguyên tố nặng và nguồn gốc của vũ trụ.


Kết quả nghiên cứu với tiêu đề “Cloud Quantum Computing of an Atomic Nucleus” được công bố trên tạp chí Physical Review Letters.

Các đồng tác giả của tờ báo, tất cả đều từ ORNL, là Eugene F. Dumitrescu, Alex J. McCaskey, Gaute Hagen, Gustav R. Jansen, Titus D. Morris, Thomas Papenbrock, Raphael C. Pooser, David J. Dean và Pavel Lougovski. Hagen, Morris, Papenbrock, và Pooser cũng được liên kết với Đại học Tennessee, Knoxville.

Nghiên cứu của nhóm nghiên cứu được hỗ trợ bởi Văn phòng Khoa học của DOE. ORNL được quản lý bởi UT-Battelle cho Văn phòng Khoa học của DOE. Văn phòng Khoa học là nguồn ủng hộ lớn nhất trong nghiên cứu cơ bản về khoa học vật lý ở Hoa Kỳ và đang nỗ lực giải quyết một số thách thức cấp bách nhất trong thời đại chúng ta. Để biết thêm thông tin, vui lòng truy cập https://science.energy.gov/.

Người dịch: NGUYỄN LÊ ANH
Nguồn: https://www.ornl.gov/news/nuclear-physicists-leap-quantum-computing-first-simulations-atomic-nucleus


Comments

Post a Comment

Popular posts from this blog

Gần đúng WKB cho lý thuyết Gamow của phân rã alpha

Đầu tiên, ta cần tìm hiểu gần đúng WKB (Wentzel–Kramers–Brillouin) là gì? Phương trình Schrödinger \begin{align} -\dfrac{\hbar^2}{2m}\dfrac{d^2\psi}{dx^2} + V(x)\psi &= E\psi \\ \dfrac{d^2\psi}{dx^2} &=-\dfrac{2m[E-V(x)]}{\hbar^2}\psi \end{align} Gọi \begin{equation} p(x) \equiv \sqrt{2m[E-V(x)]} \end{equation} là động lượng (cổ điển) của một hạt có năng lượng $E$ trong thế năng $V(x)$. Phương trình Schrödinger trở thành \begin{equation} \dfrac{d^2\psi}{dx^2} =-\dfrac{p^2}{\hbar^2}\psi \end{equation} Giả sử $E>V(x)$ (vùng cổ điển) khi đó $p(x)$ thực. Hạt bị nhốt trong hố thế. Một cách tổng quát, $\psi$ là hàm phức và ta có thể biểu diễn nó dưới dạng biên độ $A(x)$ và pha $\phi(x)$ \begin{align} \psi(x) = A(x)e^{i\phi(x)} \end{align} Thay vào phương trình Schrödinger \begin{align} A''+2iA'\phi'+iA\phi''-A(\phi ')^2 = -\dfrac{p^2}{\hbar^2}A \end{align} Ta tách làm 2 phương trình cho phần thực và ảo \begin{align} ...
Post a Comment
Read more

Hạt nhân bất ngờ có hình quả lê

Các thí nghiệm xác nhận rằng hạt nhân barium-144 có hình quả lê và gợi ý rằng sự bất đối xứng này rõ ràng hơn so với suy nghĩ trước đây. Hầu hết các hạt nhân đều có hình tròn hoặc hơi dẹt, giống như một quả bóng đá. Nhưng trong một số hạt nhân nhất định, proton và neutron sắp xếp theo cấu hình hình quả lê hơn. Chỉ một số ít hạt nhân bị biến dạng này được nhìn thấy trong các thí nghiệm. Giờ đây, các nhà nghiên cứu đã xác nhận rằng barium-144 (144Ba) là thành viên của câu lạc bộ độc quyền này. Hơn nữa, nó có thể bị bóp méo nhiều hơn những gì các nhà lý thuyết mong đợi, một phát hiện có thể thách thức các mô hình cấu trúc hạt nhân hiện tại. Việc kiểm tra trực tiếp nhất xem hạt nhân có hình quả lê hay không là tìm kiếm cái gọi là sự chuyển dịch bát cực giữa các trạng thái hạt nhân, chúng bị triệt tiêu trong các hạt nhân đối xứng hơn. Sử dụng phương pháp này, các nhà nghiên cứu đã xác nhận rằng radium-224, radium-226 và một số hạt nhân nặng khác có hình quả lê. Trong nhiều thập kỉ, các nhà ...
Post a Comment
Read more

11 câu hỏi lớn nhất chưa có lời giải đáp của vật lý

Việc giải quyết những câu hỏi này có thể mở ra những bí mật của sự tồn tại và mở ra một kỷ nguyên khoa học mới trong vòng vài thập kỷ. Đây là một câu chuyện về vật lý hiện đại: Hai nhà khoa học làm việc tại cùng một trường đại học trong các lĩnh vực khác nhau. Một người nghiên cứu các vật thể khổng lồ ở cách xa Trái Đất. Người kia bị mê hoặc bởi những thứ nhỏ bé ngay trước mặt mình. Để thỏa mãn sự tò mò của mình, một người chế tạo kính thiên văn mạnh nhất thế giới và người kia chế tạo kính hiển vi tốt nhất thế giới. Khi họ tập trung các thiết bị của mình vào các vật thể ngày càng xa và nhỏ hơn, họ bắt đầu quan sát các cấu trúc và hành vi chưa từng thấy trước đây hoặc tưởng tượng ra. Họ phấn khích nhưng thất vọng vì những quan sát của họ không phù hợp với các lý thuyết hiện có. Một ngày nọ, họ rời khỏi thiết bị của mình để nghỉ giải lao uống cà phê và tình cờ gặp nhau ở phòng chờ của khoa, nơi họ bắt đầu than phiền về những gì cần làm với các quan sát của mình. Đột nhiên, cả hai đều nhậ...
Post a Comment
Read more