پژوهشگران آزمونی برای تعیین دستاورد محاسبات کوانتومی می‌سازند

پژوهشگران آزمونی برای تعیین دستاورد محاسبات کوانتومی می‌سازند

در حال حاضر، یک رقابت همه‌جانبه برای ساخت اولین کامپیوتر کوانتومی کاربردی وجود دارد. شرکت‌ها، کشورها، همکاران و رقبای جهانی برای برتری کوانتومی رقابت می‌کنند. گوگل می‌گوید برتری کوانتومی در حال حاضر وجود دارد، اما این به چه معناست؟ دنیا از کجا بداند چه زمانی به آن دست یافته‌ است؟

دانشمندان علوم محاسباتی در PNNL با استفاده از کامپیوترهای کلاسیکی، حدی را تعیین کرده‌اند که یک سیستم کوانتومی برای دستیابی به برتری کوانتومی در حوزه شیمی باید از آن پیشی بگیرد، زیرا سریع‌ترین کامپیوترهای کلاسیکی که امروزه در دسترس هستند، در شبیه‌سازی آنچه انتظار می‌رود یک کامپیوتر کوانتومی در نهایت انجام دهد، بهتر و بهتر می‌شوند. یک کامپیوتر کوانتومی برای اثبات خود در دنیای واقعی باید بتواند از آنچه یک ابرکامپیوتر سریع می‌تواند انجام دهد پیشی بگیرد. اینجاست که گروه PNNL یک آزمون برای غلبه کامپیوترهای کوانتومی تعیین کرده‌اند.

محققان می‌گویند: «شبیه‌سازی کلاسیکی مسائل شیمی کوانتومی به عنوان یک دروازه برای کامپیوترهای کوانتومی عمل می‌کنند. هنگامی که یک کامپیوتر کوانتومی بتواند بر بهترین سیستم‌های محاسبات موازی ما غلبه کند، توسعه دهندگان محاسبات کوانتومی خواهند دانست جایی هستند که باید باشند. این یک آزمون برای الهام بخشیدن به نوآوری است».

شبیه‌سازی آزمون اخیر، بزرگ‌ترین سیستم کوانتومی است که تاکنون با این میزان از دقت با استفاده از یک کامپیوتر کلاسیکی برای ۱۱۳ الکترون، شبیه‌سازی شده‌ است. گروه PNNL با همکاری محققانی از مجارستان و جمهوری‌ چک، این آزمون را با شبیه‌سازی ساختار یک ساختار شیمیایی مهم در نیتروژناز (آنزیمی که نیتروژن اتمسفر را به کود قابل ‌استفاده برای گیاهان تبدیل می‌کند) تعیین کردند. این آنزیم به شدت مورد مطالعه است، زیرا ممکن است کلید تولید غذای کافی برای تغذیه جمعیت جهانی در حال رشد باشد.

درک اینکه چگونه این آنزیم قادر به شکستن پیوند سه‌گانه قوی نیتروژن است، در حالی که انرژی بسیار کمی صرف می‌کند، می‌تواند کلید طراحی کاتالیست جدیدی باشد و در نهایت کود فراوانی را که در حال حاضر با استفاده از فرآیندی شیمیایی تولید شده و نیاز به ورودی انرژی زیادی دارد، فراهم ‌کند.

محققان می‌گویند: « شیمی کوانتومی پیچیده، دقیقا از آن دست مسائلی است که داشتن یک کامپیوتر کوانتومی می‌تواند واقعا در آن تفاوت ایجاد کند. ما در حال ساخت برنامه‌هایی هستیم که بر روی کامپیوترهای کوانتومی اجرا خواهند شد. وقتی کامپیوترهای کوانتومی از راه برسند، ما آماده خواهیم بود».

محققان PNNL و مایکروسافت برای شبیه‌سازی اینکه یک کامپیوتر کوانتومی چگونه کار خواهد کرد، همکاری می‌کنند و برنامه‌هایی را می‌نویسند که بر روی هر کامپیوتر کوانتومی کار کنند.

محققان می‌گویند: «کامپیوترهای مرسوم، از جمله سریع‌ترین ابرکامپیوترهای امروزی، برای شبیه‌سازی سیستم‌های کوانتومی مورد نیاز برای توصیف سیستم‌ها و فرآیندهای مهم و چالش‌برانگیز مولکولی، کافی نیستند. ابزارهای محاسباتی بهتری برای درک سیستم‌های شیمیایی و طراحی مواد جدید، مورد نیاز است».

گروه PNNL با کارشناسان مایکروسافت همکاری می‌کنند تا پلی بین کامپیوترهای دیجیتال فعلی و آنچه بعد خواهد آمد ایجاد کنند. جریان کار از عملکرد خوب کامپیوترهای کلاسیکی رایج بهره می‌برد، در حالی که از قابلیت‌های کنونی محاسبات کوانتومی برای توصیف تحولات شیمیایی مربوط به فرآیندهای صنعتی مانند تولید انرژی و ذخیره‌سازی انرژی نیز استفاده می‌کند.

طبق گفته گروه تحقیق، راه حل این بود که خروجی یک کامپیوتر کلاسیکی را بگیریم و بتوانیم آن اطلاعات را به یک ورودی که می‌تواند توسط یک کامپیوتر کوانتومی تفسیر شود، تبدیل کنیم. محققان این روش محاسبات کوانتومی را در اواسط سال ۲۰۱۹ منتشر کردند.

گروه PNNL از آن زمان به بعد، گام بزرگ دیگری را در پل زدن بین کامپیوترهای کلاسیکی و کوانتومی برداشته است. آن‌ها یک الگوریتم کامپیوتری توسعه دادند که از یک ترفند ریاضی بهره می‌برد که اساسا محاسبات دشوار و وقت‌گیر را در کامپیوترهای کوانتومی آزمایشی مرسوم ممکن می‌سازد.

محققان می‌گویند: «این کار مانند جای دادن و فشرده‌سازی یک جعبه بزرگ در یک جعبه کوچک‌تر است. در این مورد، جعبه، نشان‌دهنده یک فضای عددی بزرگ است. ما از یک توصیف فشرده‌تر در یک کامپیوتر کوانتومی استفاده می‌کنیم و آنچه که بیرون می‌آید به طور دقیقی نشان‌دهنده انرژی سیستم بسیار بزرگ‌تر است. این کار، پلی بین محاسبات کلاسیکی و محاسبات کوانتومی در سال‌های آینده است». ممکن است این روش، شبیه یک ترفند جادویی ریاضی به نظر برسد، اما از ویژگی‌های مکانیک کوانتومی و مجموعه‌ای از نظریه‌های ریاضی دقیق و معتبر استفاده می‌کند.

این روش جدید، نه تنها راه‌‌هایی را برای محاسبات کوانتومی باز می‌کند، بلکه روش‌های جدید، بسیار کارآمدتر و دقیق‌تری را برای تحلیل و اعتبارسنجی داده‌های هر روز تولید شده از سرمایه‌گذاری ایالات ‌متحده در وزارت انرژی نیز فراهم می‌کند. محققان می‌گویند: «ما نشان داده‌ایم که چگونه رفتار کوانتومی حالت‌های برانگیخته الکترونی را می‌توان با فشرده‌سازی هامیلتونی تحلیل کرد. این روش، راهی برای استفاده از نظریه به منظور تایید تفسیر داده‌ها ارائه می‌دهد».

این گام‌های موقتی در مسیر محاسبات کوانتومی ضروری هستند، زیرا آزمون‌های اساسی را که کمک می‌کنند نشان دهند جهان چقدر به برتری کوانتومی نزدیک است، فراهم می‌کنند. محققان می‌گویند: «ما قادر خواهیم بود تا خروجی کامپیوترهای کوانتومی را در برابر این محاسبات آزمایش کنیم. اگر کامپیوترهای کوانتومی بتوانند نتایجی نزدیک به این نتایج تولید کنند، ما خواهیم دانست که آن‌ها کار می‌کنند».
 


منبع:‌ phys.org
كلمات كليدي :
برتری کوانتومی
 
امتیاز دهی
 
 

login