گروهی از محققان شرکت گوگل و مرکز محاسبات علمی PSI یک شبیه‌ساز کوانتومی جدید ایجاد کرده‌اند که می‌تواند عملیات محاسبات کوانتومی دیجیتال و آنالوگ را با دقت زیادی انجام دهد.
به نقل از آی‌ای، این شبیه‌ساز شامل ۶۹ کیوبیت ابررسانا است و به دانشمندان اجازه میدهد فرآیندهای کوانتومی را که حتی سریع‌ترین ابررایانه‌های روی زمین نمی‌توانند رمزگشایی کنند، مطالعه کنند.
محققان خاطرنشان کردند: در اینجا ما یک شبیه‌ساز کوانتومی ارائه می‌دهیم که هم از دروازه‌های کوانتومی جهانی و هم از تکامل آنالوگ با وفاداری بالا، با عملکردی فراتر از دسترسی شبیه‌سازی کلاسیک در آزمایش‌های معیار آنتروپی متقابل پشتیبانی می‌کند.
در حالی که رایانه‌های کوانتومی برای انجام محاسبات مختلف طراحی شده‌اند، این شبیه‌ساز برای مدل‌سازی سیستم‌های کوانتومی تخصصی ساخته شده است. این شبیه‌ساز می‌تواند فرآیندهای فیزیکی را در یک محیط کنترل شده تکرار کند و آن را نسبت به رایانه‌های کوانتومی استاندارد به ابزار مؤثرتری برای مطالعه مواد، مغناطیس و ترمودینامیک تبدیل می‌کند.
محاسبات کوانتومی دیجیتال در مقابل آنالوگ
محاسبات کوانتومی به دو رویکرد دیجیتال و آنالوگ تقسیم شده‌اند. اولی با دستکاری کیوبیت‌ها با استفاده از دروازه‌های کوانتومی، مشابه با نحوه استفاده کامپیوترهای کلاسیک از دروازه‌های منطقی عمل می‌کند که برای حل طیف گسترده‌ای از مسائل محاسباتی مرتبط با الگوریتم‌ها، یادگیری ماشین و رمزنگاری ایده‌آل است.
به عنوان مثال، یک مسیر معمایی پیچیده و عظیم با مسیرها و بن‌بست‌های بی‌شمار را تصور کنید. یک رایانه کلاسیک هر مسیر را یکی یکی کاوش می‌کند تا خروجی را پیدا کند که ممکن است زمان زیادی طول بکشد.
از سوی دیگر، یک رایانه کوانتومی دیجیتال به لطف ویژگی‌های کوانتومی مانند «برهم‌نهی کوانتومی» می‌تواند چندین مسیر را به طور همزمان کاوش کند. سپس با استفاده از دروازه‌های کوانتومی برای پردازش اطلاعات می‌تواند به سرعت مسیر صحیح خروج از مسیر معمایی را حتی اگر فوق‌العاده پیچیده باشد، به صفر برساند.
یک رایانه کوانتومی آنالوگ جالب‌تر است، چرا که به جای انجام عملیات منطقی گام به گام مانند یک رایانه کوانتومی دیجیتال، مستقیماً رفتار یک سیستم فیزیکی را با نگاشت ذرات کوانتومی روی کیوبیت تقلید می‌کند و اساساً می‌تواند تعامل بین مولکول‌ها و ذرات را در یک محیط کنترل شده شبیه‌سازی کند.
برای مثال، فرض کنید می‌خواهید نحوه حرکت الکترون‌ها را در یک ماده پیچیده مانند یک ابررسانا با دمای بالا مطالعه کنید.
یک شبیه‌ساز کوانتومی آنالوگ به جای حل معادلات با استفاده از یک رایانه کوانتومی دیجیتال، یک سیستم مصنوعی با کیوبیت‌هایی ایجاد می‌کند که رفتاری مشابه با الکترون‌های موجود در ماده دارند و به محققان اجازه میدهد تا برهم‌کنش‌های کوانتومی را در لحظه مشاهده کنند.
ایجاد یک سیستم دو در یک
رایانه‌های کوانتومی دیجیتال و آنالوگ هر دو دارای معایب و محاسن خاص خود هستند. برای مثال، رایانه‌های آنالوگ سریع‌تر هستند، اما سخت‌تر برنامه‌نویسی می‌شوند، در حالی که رایانه‌های دیجیتال نسبتاً کندتر هستند، اما برنامه‌نویسی آنها آسان‌تر است.
این شبیه‌ساز کوانتومی جدید توسعه یافته، بهترین ویژگی‌های سیستم‌های دیجیتال و آنالوگ را ترکیب می‌کند. نویسندگان این مطالعه خاطرنشان کردند: این دو رویکرد (دیجیتال و آنالوگ) اکنون برای اولین بار در آزمایشی که نقاط قوت هر دو جهان را گرد هم می‌آورد، با موفقیت ترکیب شده‌اند.
این شبیه‌ساز قادر به انجام محاسبات پیچیده در حالی است که برهمکنش ذرات را تکرار می‌کند. به عنوان مثال، محققان برای تأیید رویکرد خود از شبیه‌ساز کوانتومی برای مطالعه فرآیند گرمایی‌سازی استفاده کردند. به این معنی که یک سیستم چگونه در طول زمان به تعادل حرارتی می‌رسد.
آنها آزمایش خود را با استفاده از مثال فنجان شیرقهوه توضیح دادند. به گفته محققان، هیچ کامپیوتر کلاسیکی نمی‌تواند فعل و انفعالات کوانتومی را که باعث می‌شوند شیر سرد در قهوه داغ پراکنده شود، توضیح دهد.
با این حال، محققان با استفاده از شبیه‌ساز کوانتومی خود، به جای ریختن تصادفی شیر، ابتدا می‌توانند قطرات شیر را در ۱۰۰ مکان خاص در فنجان به طور همزمان رها کنند. این سطح از کنترل مانند جنبه دیجیتال شبیه‌ساز کوانتومی است که به دانشمندان اجازه میدهد تا شرایط اولیه را به روشی ساختاریافته و انعطاف‌پذیر تنظیم کنند.
هنگامی که شیر در قهوه ریخته می‌شود، در آن ۱۰۰ نقطه مشخص باقی نمی‌ماند و به طور طبیعی پخش می‌شود و با مخلوط شدن با قهوه، الگوهایی را تشکیل میدهد. این پخش شدن به دلیل جریان طبیعی مایع و گرمای موجود در قهوه اتفاق می‌افتد. این بخش مانند حالت آنالوگ در شبیه‌ساز کوانتومی است که به کیوبیت‌ها اجازه میدهد تا به طور طبیعی رفتار کوانتومی دنیای واقعی را شبیه‌سازی کنند.
توانایی راهگشای شبیه‌ساز کوانتومی
قیاس فنجان شیرقهوه فقط یک مثال کوچک از کاری است که این شبیه‌ساز کوانتومی دیجیتال آنالوگ می‌تواند انجام دهد. این شبیه‌ساز، پیامدهای علمی و فناوری گسترده‌ای دارد.
برای مثال، در فیزیک ماده چگال می‌تواند به محققان در مطالعه حالت‌های مغناطیسی عجیب و غریب، مانند توسعه فناوری‌های محاسباتی جدید مبتنی بر اسپین الکترون به جای بار آنها کمک کند.
این شبیه‌ساز ممکن است با کمک به طراحی ابررساناهای با دمای بالا که می‌تواند انتقال انرژی را متحول کند، به علم مواد کمک کند. علاوه بر این، می‌تواند با مدل‌سازی فعل و انفعالات مولکولی پیچیده با دقت بیشتری نسبت به رایانه‌های کلاسیک، منجر به توسعه داروهای بهتر و ایمن‌تر شود.
با این حال، نویسندگان این مطالعه باید این شبیه‌ساز را بزرگتر کنند و آن را برای تحقق همه قابلیت‌های ذکر شده در بالا بسیار قدرتمندتر کنند.
این مطالعه در مجله Nature منتشر شده است.
