مقالات حوزه شبیه سازی
در انتظار انقلاب شبیه‌سازی کوانتومی با تحقق کامپیوتر کوانتومی (قسمت اول)

در انتظار انقلاب شبیه‌سازی کوانتومی با تحقق کامپیوتر کوانتومی (قسمت اول)

کامپیوترهای کوانتومی برای آنکه بتوانند در شیمی، توسعه‌ی داروها، و علوم مواد، با کامپیوترهای مرسوم رقابت کنند، همچنان باید توسعه‌‌ی زیادی یابند، اما در حال ایجاد پیشرفت‌‌هایی نیز هستند.

کامپیوترهای کوانتومی بسیار جذاب‌اند. کنگره‌ی آمریکا مجوز اختصاص یک میلیارد و دویست میلیون دلار بودجه برای تحقیقات علوم اطلاعات کوانتومی که شامل محاسبات کوانتومی نیز می‌شود را صادر کرده است. برخی از بزرگ‌ترین شرکت‌های فناوری دنیا به سرعت در حال ساخت نمونه‌ی اولیه‌ی چنین دستگاه‌هایی هستند. شرکت گوگل اخیرا اعلام کرد یک کامپیوتر کوانتومی توسعه داده که می‌تواند در یک مسئله‌ی مشخص، کامپیوترهای کلاسیکی را شکست دهد.

یکی از بیشترین استفاده‌های مورد انتظار برای این ماشین‌های کوانتومی، به عنوان ابزاری برای توسعه‌ی داروها، کاتالیست‌ها و مواد جدید است. یکی از معاونان اسبق IBM، کشف مواد جدید با استفاده از کامپیوترهای کوانتومی در عرض سه تا پنج سال آینده را پیش‌بینی کرد. لامار اسمیت (Lamar Smith)، نماینده‌ی کنگره‌ی آمریکا که به تازگی بازنشست شد و بودجه‌ی کوانتومی را حمایت کرد، می‌گوید: «پیشرفت‌های چشمگیری در توسعه‌ی داروها و مواد جدید رخ خواهد داد». او همچنین یک صنعت محاسبات کوانتومی را در آنسوی چشم‌انداز کامپیوترهای کوانتومی نوید داده است.

چنین امیدهایی مبنی بر شبیه‌سازی دقیق ساختارها و رفتارهای کوانتومی مواد با استفاده از کامپیوترهای کوانتومی هستند، اما برای پیشرفت تمام آن‌ها، دستگاه‌ها هنوز به پیشرفت‌های بیشتری نیاز دارند. دانشمندان علم مواد و شیمی‌دان‌ها هشدار می‌دهند که ماشین‌های کوانتومی از دور رقابت با روش‌های قدرتمند شبیه‌سازی امروزی، دور هستند. کریستین پرسن (Kristin Persson) می‌گوید هنوز راه زیادی برای تاثیر کوتاه‌مدت فناوری امروزی باقی مانده است.

متخصصان محاسبات کوانتومی اعتراف می‌کنند که این فناوری راه زیادی برای رفتن دارد؛ اما این را هم می‌گویند که پیشرفت‌های سریع و چشمگیری هم در سخت‌افزار و هم در نرم‌افزار کامپیوترهای کوانتومی در حال رخ دادن است. آن‌ها همچنین به کاربردهایی اشاره می‌کنند که شبیه‌سازی‌های کلاسیکی را به زحمت می‌اندازند و ماشین‌های کوانتومی می‌توانند اولین تاثیر خود را در آن شبیه‌سازی‌ها نشان دهند. آن‌ها ادعا می‌کنند که گزینه‌های طراحی هوشمندانه‌ می‌توانند همکاری کامپیوترهای کوانتومی و کلاسیکی را به گونه‌ای فراهم کنند که مزیت‌های هریک، به بیشترین حد خود برسد.

آغازهای نظری، پیشرفت‌های عملی

کامپیوترهای کوانتومی از کیوبیت‌های کوانتومی استفاده می‌کنند. کیوبیت‌های کوانتومی می‌توانند مقادیر صفر، یک، یا ترکیبی از آن‌ها (مثلا 75 درصد یک و 25 درصد صفر) را در خود ذخیره کنند. بعلاوه‌ کیوبیت‌ها می‌توانند بصورت کوانتومی با کیوبیت‌های دیگر درهم‌تنیده شوند. این ویژگی‌ها، کامپیوترهای کوانتومی را قادر ساخته تا به سرعت، طیف گسترده‌ای از راه‌حل‌های احتمالی برای گروه خاصی از مسائل را بیابند.

حوزه‌ی محاسبات کوانتومی در سال 1981، زمانی که ریچارد فاینمن در سخنرانی خود در موسسه‌ی فناوری ماساچوست اشاره کرد که کامپیوترهای کوانتومی بصورت نظری می‌توانند یک مولکول یا ماده را بصورت دقیق و نه تقریبی شبیه‌سازی کنند، بوجود آمد. این ایده در آن زمان فقط یک آزمایش ذهنی بود، اما تا اواسط دهه‌ی 1990، فیزیک‌دانان کیوبیت‌ها را ساخته و گیت‌های منطقی کوانتومی را بعنوان بلوک‌های سازنده‌ی عملیات کامپیوتری ثابت کرده بودند. حالت‌های کوانتومی این کیوبیت‌ها، به آسانی بر اثر برهمکنش با محیط اطراف (که از ابتدا تا کنون یک چالش سخت برای سازندگان کامپیوترهای کوانتومی بوده)، مختل می‌شوند. امروزه، کامپیوترهای کوانتومی ابتدایی شامل ده‌ها کیوبیت متصل به هم، می‌توانند صد عملیات گیت یا حتی بیشتر را قبل از اینکه از کار بیفتند، انجام دهند. جان پرسکیل (John Preskill)، فیزیک‌دان کلتک (Caltech)، این نوع عملیات را محاسبات کوانتومی مقیاس متوسط نویزی (noisy intermediate-scale quantum computing) نامیده است.

پیشنهادهای فاینمن، دیگر فقط یک ایده‌ی نظری نیستند. در سال 2016، شرکت گوگل اعلام کرد که مولکول هیدروژن را با استفاده از یک کامپیوتر کوانتومی ساخته‌شده از مدارهای کوانتومی، شبیه‌سازی کرده و انرژی حالت پایه‌ی آن را نیز پیش‌بینی نموده است. شرکت IBM نیز همین کار را برای لیتیم هیدرید و بریلیم هیدرید در سال 2017 انجام داده است. همچنین شرکت ionQ، یک استارتاپ مستقر در مریلند، مولکول آب را بعنوان بزرگ‌ترین مولکول شبیه‌سازی شده تا آن تاریخ با استفاده از یک کامپیوتر کوانتومی که کیوبیت‌های آن یون‌های به دام افتاده بودند، در اوایل سال 2019 شبیه‌سازی کرد.

مارکوس ریر (Markus Reiher)، شیمی‌دان نظری موسسه‌ی ETH زوریخ می‌گوید: «دستاوردهایی از این قبیل، گام‌های بزرگی محسوب می‌شوند. ده سال پیش، هیچکس حدس نمی‌زد که ما خواهیم توانست این نتایج محاسبات کوانتومی را ببینیم». اما ریر به این هم اشاره می‌کند که شبیه‌سازی‌های اخیر نتوانسته‌اند به چیزی که کامپیوترهای کلاسیکی انجام داده‌اند، برسند. کامپیوترهای کوانتومی نتوانسته‌اند تمام اوربیتال‌های الکترونی در هر مولکول را که برای محاسبه‌ی دقیق انرژی حالت پایه‌ ضروری است، نشان دهند. حتی برای محاسبه‌ی دقیق انرژی حالت پایه‌ی مولکول هیدروژن، 56 کیوبیت نیاز است، در حالیکه کامپیوتر ionQ تنها چهار کیوبیت دارد.

کریس مونرو (Chris Monroe)، فیزیک‌دان دانشگاه مریلند و یکی از بنیان‌گذاران ionQ، اتفاق نظر دارند که شبیه‌سازی مولکول آب توسط گروه آن‌ها با دقت کامپیوترهای کلاسیکی همخوانی ندارد. اما او می‌گوید که چنین اثبات‌هایی قابل دسترسی هستند و تنها تعداد کیوبیت‌های بیشتر و الگوریتم‌های طولانی‌تر نیاز است. وی همچنین اشاره می‌کند که برای رسیدن به مولکول‌هایی که روش‌های کلاسیکی نمی‌توانند انرژی حالت پایه آن‌ها را بطور دقیق محاسبه کنند، اجباری به افزودن تعداد زیادی اتم نیست. حتی ترکیب ساده‌ای مانند کافئین، تنها با 24 اتم نیز یک قلمروی جدید برای این کامپیوترهاست. مونرو پیش‌بینی خود از آینده‌ی کامپیوترهای کوانتومی را اینطور بیان می‌کند: « توجه مردم زمانی جلب خواهد شد که شما 50 تا 100 الکترون (که توسط یک کامپیوتر کوانتومی شبیه‌سازی شده باشد) داشته باشید».
 


ادامه دارد...

كلمات كليدي :
شبیه سازی کوانتومی
 
امتیاز دهی
 
 

بيشتر
login