量子计算是基于物质量子原理进行计算的，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。与普通计算机位不同，量子计算机使用的量子位单元将信息存储在双态系统中，例如电子或光子，它们被认为是同时处于所有可能的量子态(称为叠加现象)。

田纳西大学和ORNL的理论核物理学家托马斯·帕彭布罗克说：“在古典计算中，你可以用零和一的方式写出来。”他与ORNL量子信息专家帕维尔·洛戈夫斯基共同领导了这个项目。“但是使用量子比特，你可以拥有0和1的零，一和任何可能的组合，因此你可以获得存储数据的大量可能性。”

2017年10月，多部门ORNL团队开始开发代码，通过DOE的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。使用免费提供的pyQuil软件，这是一个用于生成量子指令语言程序的库，研究人员编写了一个代码，该代码首先发送到模拟器，然后发送到基于云的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700,000多次量子计算测量。从这些测量结果中，研究小组提取了氘核的结合能 - 将其分解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。他们没有中子或质子的属性，“Lougovski说。“我们可以将这些属性映射到量子比特，然后用它们来模拟特定现象 - 在这种情况下，结合能量。”

使用这些量子系统的一个挑战是科学家必须远程运行模拟，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分别进行了8,000次单次测量，以确保其结果的统计准确性。

“通过互联网做这件事真的很难，”麦卡斯基说。“这个算法主要由硬件供应商自己完成，他们实际上可以触摸机器。他们正在转动旋钮。“

该团队还发现量子器件由于芯片上的固有噪声而变得棘手，这可能会大大改变结果。McCaskey和Dumitrescu成功地采用了降低高错误率的策略，例如人为地增加了更多的噪声来模拟其影响并推断出零噪声的结果。

“这些系统非常容易受到噪音的影响，”位于ORNL的DOE科学用户设施办公室橡树岭领导计算机构(OLCF)科学计算组的计算科学家Gustav Jansen说。“如果粒子进入并击中量子计算机，它可能真的会扭曲您的测量结果。这些系统并不完美，但在与它们合作时，我们可以更好地理解内在错误。“

在项目完成时，团队的两个和三个量子比特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学界中的第一个。

原理验证模拟为将来在量子系统上用更多质子和中子计算更重的原子核铺平了道路。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比特变得纠缠 - 或者与其他量子不可分割地联系起来，最终会以指数方式增加测量状态的可能结果的数量。然而，这种益处也对系统产生不利影响，因为错误也可能随着问题规模呈指数级增长。

Papenbrock表示，该团队的希望是，改进的硬件最终将使科学家能够解决传统高性能计算资源无法解决的问题 - 甚至不是OLCF的问题。在未来，复杂原子核的量子计算可以揭示关于物质性质，重元素形成和宇宙起源的重要细节。