Новый прогресс в квантовых вычислениях ядерной структуры из первых принципов

Недавно научная группа Института современной физики Китайской академии наук добилась нового прогресса в исследованиях квантовых вычислений ядерной структуры из первых принципов для многофермионных систем. Группа разработала универсальную гибридную квантово-классическую вычислительную платформу, позволяющую рассчитывать функции Грина и спектральные функции ядерных многочастичных систем. Соответствующие результаты опубликованы в виде письма (Letter) в журнале Physical Review C.

Многочастичные вычисления с гамильтонианом из первых принципов являются ключевым методом раскрытия закономерностей сильно коррелированных квантовых систем и широко применяются в квантовой химии, ядерной физике и других областях, однако гильбертово пространство таких задач растёт экспоненциально с числом частиц, что создаёт непреодолимые ограничения вычислительных ресурсов на классических компьютерах. Квантовые вычисления могут стать прорывной технологией для решения проблемы этой “стены экспоненциальности”. Существующие квантовые алгоритмы в основном способны решать лишь ограниченное число энергетических уровней, такие как основное состояние, и не могут получить полный спектр связанных состояний системы и ключевую структурную информацию, включая угловые моменты. Кроме того, традиционные схемы кодирования требуют высоких затрат на компиляцию квантовых схем, что серьёзно ограничивает их применение в реальных задачах ядерной структуры.

Теоретическая группа Института современной физики совместно с сотрудниками предложила новую схему квантового кодирования, применимую к многофермионным гамильтонианам. Эта схема позволяет избежать огромных затрат на компиляцию, характерных для традиционных методов, полностью сохраняет внутреннюю симметрию гамильтониана и сжимает необходимое число квантовых вентилей до теоретической нижней границы.

На основе этой схемы кодирования исследовательская группа дополнительно разработала гибридную квантово-классическую вычислительную платформу для решения функций Грина и спектральных функций ядерных многочастичных систем. На основе метода решения спектральных функций группа разработала стратегию двухуровневого сканирования, позволяющую полностью решить весь спектр связанных состояний, включая энергии всех связанных состояний и соответствующие угловые моменты, что позволяет избежать трудностей оптимизации параметров, присущих вариационным квантовым алгоритмам.

В качестве проверочных расчётов исследователи, используя гамильтониан реального ядерного взаимодействия, с помощью этого квантового алгоритма вычислили полный спектр связанных состояний изотопа кислород-20 и соответствующие квантовые числа полного углового момента. Результаты квантового моделирования на основе классических симуляторов хорошо согласуются с результатами классических расчётов полной конфигурационной взаимосвязи, а также демонстрируют хорошее соответствие с экспериментальными данными. Эта платформа обладает универсальностью и масштабируемостью, открывая новый путь для квантовых вычислений ядерной структуры из первых принципов и может быть непосредственно распространена на исследования сильно коррелированных многочастичных задач в различных областях.

Эта работа выполнена совместно Институтом современной физики, Гуандунской лабораторией передовых энергетических наук и технологий, Университетом штата Айова (США) и Национальной лабораторией Лоуренса в Беркли. Первый автор статьи — заместитель научного сотрудника Ду Вэйцзе из Института современной физики, автор для переписки — постдокторант Лю Цзысинь из Института современной физики. Исследование поддержано Программой кадров Китайской академии наук, проектом “Выдающийся молодой учёный” Гуандунской лаборатории передовых энергетических наук и технологий и другими программами.

Рисунок: (a) Схема гибридного квантово-классического алгоритма. (b) Энергии возбуждения собственных состояний кислорода-20 и значения полного углового момента J, рассчитанные на основе этой платформы, в сравнении с результатами классических расчётов полной конфигурационной взаимосвязи и экспериментальными значениями. (c-f) Схема сканирования спектральной функции кислорода-20 при различных проекциях полного углового момента и энергетических разрешениях.