Nouvelle avancée dans la recherche en calcul quantique de la structure nucléaire à partir des premiers principes

Récemment, l'équipe de recherche de l'Institut de physique moderne de l'Académie chinoise des sciences a réalisé une nouvelle avancée dans la recherche en calcul quantique de la structure nucléaire à partir des premiers principes pour les systèmes à plusieurs fermions. L'équipe a développé un cadre de calcul hybride quantique-classique universel permettant de calculer les fonctions de Green et les fonctions spectrales des systèmes à N corps nucléaires. Les résultats ont été publiés sous forme de lettre dans *Physical Review C*.

Les calculs à N corps basés sur l'hamiltonien des premiers principes constituent un outil essentiel pour révéler les lois des systèmes fortement corrélés en mécanique quantique, largement appliqués dans des domaines tels que la chimie quantique et la physique nucléaire. Cependant, l'espace de Hilbert de ces problèmes croît de manière exponentielle avec le nombre de particules, ce qui pose des limites de calcul insurmontables sur les ordinateurs classiques. Le calcul quantique est considéré comme une technologie potentiellement disruptive capable de surmonter ce problème du « mur exponentiel ». La plupart des algorithmes quantiques existants ne permettent de résoudre que des niveaux d'énergie finis tels que l'état fondamental, sans pouvoir obtenir le spectre complet des états liés ni des informations structurelles clés comme le moment angulaire. De plus, les schémas de codage traditionnels entraînent des coûts de compilation de circuits élevés, ce qui limite sérieusement leur application aux problèmes réels de structure nucléaire.

L'équipe de recherche en physique théorique de l'Institut de physique moderne et ses collaborateurs ont proposé un nouveau schéma de codage quantique adapté aux hamiltoniens à plusieurs fermions. Ce schéma évite les coûts de compilation considérables des méthodes traditionnelles tout en préservant intégralement les symétries intrinsèques de l'hamiltonien, réduisant le nombre de portes quantiques requises à la limite théorique inférieure.

S'appuyant sur ce schéma de codage, l'équipe de recherche a en outre développé un cadre de calcul hybride quantique-classique capable de résoudre les fonctions de Green et les fonctions spectrales des systèmes à N corps nucléaires. Sur la base de la méthode de résolution des fonctions spectrales, l'équipe a conçu une stratégie de balayage à deux niveaux permettant de résoudre complètement le spectre complet des états liés, y compris les énergies des états liés et les moments angulaires correspondants, tout en évitant les difficultés d'optimisation des paramètres rencontrées par les algorithmes quantiques variationnels.

À titre de calcul de validation, les chercheurs ont utilisé cet algorithme quantique avec un hamiltonien d'interaction nucléaire réaliste pour calculer le spectre complet des états liés de l'isotope oxygène-20 ainsi que les nombres quantiques de moment angulaire total correspondants. Les résultats de simulation quantique obtenus sur simulateur classique sont en bon accord avec les calculs classiques d'interaction de configuration complète, et présentent également une bonne cohérence avec les résultats expérimentaux. Ce cadre, à la fois universel et extensible, offre une nouvelle voie pour le calcul quantique de la structure nucléaire à partir des premiers principes et peut être directement généralisé à l'étude de problèmes de systèmes fortement corrélés dans de multiples domaines.

Ce travail a été réalisé conjointement par l'Institut de physique moderne, le Laboratoire provincial du Guangdong pour les sciences et technologies de l'énergie avancée, l'Université d'État de l'Iowa et le Laboratoire national Lawrence Berkeley. Le premier auteur de l'article est le professeur associé de recherche Du Weijie de l'Institut de physique moderne, et l'auteur correspondant est le chercheur postdoctoral Liu Zixin du même institut. Cette recherche a bénéficié du soutien du programme de talents de l'Académie chinoise des sciences et du projet « Jeunes talents d'excellence » du Laboratoire provincial du Guangdong pour les sciences et technologies de l'énergie avancée.

Figure : (a) Schéma du cadre de l'algorithme hybride quantique-classique. (b) Énergies d'excitation des états propres et valeurs du moment angulaire total J de l'oxygène-20 calculées à l'aide de ce cadre, ainsi que leur comparaison avec les résultats de l'interaction de configuration complète classique et les valeurs expérimentales. (c-f) Schémas de balayage de la fonction spectrale de l'oxygène-20 pour différentes projections du moment angulaire total et différentes résolutions en énergie.