استخدم العلماء الكمبيوتر الكمي لحساب الطاقة الدقيقة للهيدروجين الجزيئي. يمكن أن يكون لهذا النهج الرائد في عمليات المحاكاة الجزيئية آثار عميقة ليس فقط على كيمياء الكم، ولكن أيضًا على مجموعة متنوعة من المجالات العلمية.
في مرحلة رائدة مهمة من التكنولوجيا المبتكرة، استخدم العلماء جهاز كمبيوتر كميًا لحساب الطاقة الدقيقة للهيدروجين الجزيئي. يمكن أن يكون لهذا النهج الرائد في المحاكاة الجزيئية آثار عميقة ليس فقط على كيمياء الكم، ولكن أيضًا على مجموعة متنوعة من المجالات العلمية، من التشفير إلى علم المواد.
يقول العالم آلان أسبورو جوزيك، أستاذ الكيمياء والبيولوجيا الكيميائية في جامعة هارفارد: "إن إحدى أخطر المشاكل التي تواجه الكيميائيين النظريين هي كيفية الحصول على محاكاة دقيقة للأنظمة الكيميائية". "هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها استخدام الكمبيوتر الكمي للحصول على هذه الحسابات الدقيقة."
البحث، الموصوف في المجلة العلمية Nature Chemistry، هو نتيجة للتعاون بين فريق من الكيميائيين النظريين من جامعة هارفارد ومجموعة من علماء الفيزياء التجريبية من جامعة كوينزلاند في أستراليا. قاد فريق هارفارد التصميم التجريبي وأجرى الحسابات الأساسية، في حين قام شركاؤهم الأستراليون ببناء الكمبيوتر المادي وأجروا التجارب بالفعل. يقول الباحث الرئيسي من جامعة هارفارد: "كنا متخصصين في البرمجيات، وكان شركاؤنا متخصصين في الأجهزة".
في حين أن أجهزة الكمبيوتر العملاقة المتقدمة قادرة على إجراء حسابات تقريبية للأنظمة الجزيئية البسيطة نسبيًا، فإن زيادة حجم النظام قيد النظر يؤدي إلى زيادة أسية (أسية) في وقت الحساب. تعد الحوسبة الكمومية فعالة بفضل قدرتها على حل أنواع معينة من المشكلات التي لا يمكن حلها بواسطة أجهزة الكمبيوتر العادية.
بدلاً من استخدام البتات (الأرقام الثنائية، البتات الثنائية) التي تحمل علامة "صفر" و"واحد" لتشفير المعلومات، كما يحدث في أجهزة الكمبيوتر العادية، تقوم الحوسبة الكمومية بتخزين المعلومات على شكل كيوبت قادر على تمثيل "صفر" و"واحد". في نفس الوقت (يتم استخدام البت الكمي، qubit، كوحدة قياس للمعلومات الكمومية، وأيضًا لوصف أصغر عنصر تخزين معلومات في الكمبيوتر الكمي. وهو النظير الكمي للبت في نظرية المعلومات الكلاسيكية. في الكمبيوتر الكمي، الكيوبت هو نظام كمي ثنائي الأبعاد). عندما يتم تشغيل الكمبيوتر الكمي، فإنه يأخذ في الاعتبار جميع الحلول الممكنة للمشكلة قيد النظر من خلال ترتيب الكيوبتات الخاصة به في وقت واحد في جميع المجموعات الموجودة من "الأصفار" و"الآحاد".
نظرًا لأن تسلسلًا واحدًا من الكيوبتات قادر على تمثيل العديد من الأرقام المختلفة، فإن الكمبيوتر الكمي سيجري حسابات أقل بكثير من الكمبيوتر العادي في حل مشكلات معينة. بعد أن ينتهي الكمبيوتر من عمله، فإن قياس الكيوبتات الخاصة به يوفر الحل.
"بما أن الكفاءة الحسابية المتزايدة للكمبيوتر العادي محدودة، إذا قمت بمحاكاة نظام يحتوي على أكثر من أربع أو خمس ذرات فقط - على سبيل المثال، تفاعل كيميائي، أو حتى ذرة معقدة قليلاً - تصبح المشكلة أكثر وأكثر تعقيدًا بسرعة، " يقول أحد الباحثين. "الحسابات التقريبية لمثل هذه الأنظمة هي أفضل ما يستطيع الكيميائيون تحقيقه اليوم."
تناولت المجموعة البحثية هذه المسألة من خلال فكرة مفاهيمية أنيقة - يقول الباحث الرئيسي: "إذا كانت محاكاة نظام كمي باستخدام جهاز كمبيوتر عادي أمر معقد للغاية، فلماذا لا محاكاة الأنظمة الكمومية باستخدام نظام كمي آخر؟"
يمكن لهذا النهج، من الناحية النظرية، أن يؤدي إلى حسابات دقيقة للغاية مع استخدام جزء صغير فقط من موارد أجهزة الكمبيوتر العادية.
في حين أن عددًا من الأنظمة الفيزيائية الأخرى يمكن أن تكون بمثابة جوهر الكمبيوتر، فقد استخدم العلماء الأستراليون المعلومات المشفرة في فوتونين لإجراء عمليات محاكاة لذرات الهيدروجين. كان كل مستوى طاقة محسوبًا نتيجة لعشرين قياسًا كميًا، مما أدى إلى الحصول على قياس دقيق للغاية لكل حالة من الحالات الهندسية المحتملة للهيدروجين الجزيئي.
يقول كبير الباحثين: "يمثل هذا النهج الحسابي طريقة جديدة تمامًا للحصول على حلول دقيقة للعديد من المشكلات التي لا يتم حلها اليوم إلا على مستوى تقريبي". في نهاية المطاف، يمكن أيضًا استخدام نفس الكمبيوتر الكمي القادر على نقل الأصفار عبر الإنترنت لحساب بنية الطاقة الأقل للجزيئات المعقدة مثل الكوليسترول.
تعليقات 18
تسجيل شركة رائدة - مخترع فقير، كل المشاكل ستقع عليه - آسف
شاهد طبقًا طائرًا حقيقيًا على موقع جوجل
ميروم
هناك قوانين في الطبيعة هي قوانين، بالطبع يمكنك أن تتجاهل هذا وتسميه تفكير خارج الصندوق، لكن في رأيي، إذا كنت تسمي ذلك تفكير خارج الصندوق، فلا داعي للحاسوب الكمي. دعونا نبني آلة الزمن معا. دع الكمبيوتر يحسب شيئًا ما، سنسافر إلى المستقبل ونرى ما هي النتيجة وبعد ذلك سنعود إلى الماضي لحظة إدخالنا الحساب في الكمبيوتر وسنعرف ما هي النتيجة وقد حللنا كل مشكلة لحظة تقديمه لنا. رائع؟ لذلك ليس الأمر كذلك، فمن الهراء عدم التفكير خارج الصندوق.
إذا لم تفهم قصدي فمن المهم التفريق بين التكنولوجيا والعلم والعلم في الإعلام، فالثلاثة ليسوا متساوين. كتحدي للتفكير خارج الصندوق كما تسميه، حاول بناء آلة "على أعلى مستوى" تولد الطاقة من لا شيء.
تحميل
1. كما أتخيل، كانت سرعة الصوت تعتبر أيضًا بعيدة المنال في الماضي. وفيما يتعلق أيضًا بسرعة الضوء، سيجد في النهاية نوعًا من الموقف الذي يمكن استخدامه لتجاوز هذا القيد. وهذا ما يسمى بالتفكير خارج الصندوق!
2. إن الاختراق الكبير المطلوب في هذه الأثناء هو طريقة للحفاظ على وحدة الحساب في درجة حرارة الغرفة، ولكن أعتقد أن هذا أيضًا سيتم حله في مرحلة ما.
وفيما يتعلق بالأفكار الأخرى التي طرحتها، فهي في الواقع تعزز ما أقوله. في الماضي كانوا يعتقدون X واليوم يعتقدون Y. هذا هو بالضبط معنى التقدم واستخلاص النتائج.
ميروم,
في الواقع أنا أكرر نفس الأشياء مرة أخرى ولكن أعتقد أنك لا تقرأها. سأحاول التبسيط:
1. ليس من الواضح ما إذا كانت فيزياء الكمبيوتر الكمي موجودة أم لا. من الممكن أن يكون الكمبيوتر الكمي العياني يتعارض مع قوانين الفيزياء. وكما أنه من غير الممكن تجاوز سرعة الضوء، فمن الممكن أنه من غير الممكن بناء حاسوب كمي مجهري. أتمنى أن تفهم أن هذا الشرط يحد أيضًا من التفكير خارج الصندوق.
2. حتى لو كان الكمبيوتر الكمي لا يتعارض مع قوانين الفيزياء، فليس من المؤكد أنه يمكن بناؤه تقنيًا. مع تكنولوجيا اليوم، من الواضح تمامًا أنه لا يمكن بناؤها، وكما كتبت بالفعل، هناك حاجة إلى اختراق علمي جديد حتى تصبح الفكرة أكثر واقعية.
لقد ضربت مثال أجهزة الكمبيوتر، وبالفعل كان هناك طفرة علمية تسمى الترانزستور، وبدونه لن يكون لدينا أجهزة كمبيوتر مكتبية اليوم. يعتبر الكمبيوتر نجاحاً تكنولوجياً، ولكن كانت هناك عدة أفكار لم تتجاوز الحاجز التكنولوجي:
القطارات التي سوف تطفو على الموصلات في درجات حرارة عالية. في الوقت الذي بدت فيه الفكرة واعدة، أصبح من الواضح اليوم أنها غير قابلة للتطبيق من الناحية الفنية.
الحوامات الشخصية التي من شأنها تجنب الاختناقات المرورية. فكرة جميلة ولكن اليوم تبدو غير عملية تماما.
في الخمسينيات والستينيات كان يعتقد أن الطاقة النووية ستزود العالم كله بالكهرباء أما اليوم فالوضع مختلف تماما.
هناك فجوة كبيرة بين الفكرة الجيدة وتنفيذها التكنولوجي. وهناك أيضا أفكار جميلة تتناقض مع قوانين الطبيعة، مثلا أحدث فكرة Perpetum، من حيث المبدأ، لا يمكن تنفيذها من الناحية التكنولوجية
لاحظ أنك تكرر نفس الأشياء.
يبدو الأمر تمامًا مثل أولئك الذين زعموا في الخمسينيات من القرن الماضي أنهم لن يتمكنوا أبدًا من تصغير آلة حاسبة إلى أي شيء أصغر من الغرفة. فقط عدد قليل من الرواد اعتقدوا خلاف ذلك، وبنفس الدرجة من الثقة أستطيع أن أقول أنه في غضون بضعة عقود ستكون هناك وحدات حوسبة كمومية عاملة.
حاول أن تفكر خارج الصندوق
ميروم
الفجوة التكنولوجية للحاسوب الكمي ليست بين ما هو متاح وما هو مرغوب فيه. لا توجد حاليًا نظرية تشرح كيف ينمو العالم الكلاسيكي للفيزياء الكلاسيكية من الواقع الكمي. لذلك ليس هناك ما يضمن أنه من الممكن من حيث المبدأ إنتاج حاسوب كمي. وبعيدًا عن الأسئلة النظرية، فإن الفجوة التي تسميها التكنولوجيا الكمية تكون في بعض الأحيان جسرًا لا يمكن عبوره. أعرف العديد من حالات الأفكار التي تم تنفيذها بنجاح على نطاق صغير (في المختبر) ولكنها فشلت في الاختبار الكمي. في رأيي، على الرغم من المحاولات البطولية التي بذلها العلماء في الخمسة عشر عامًا الماضية، إلا أنه لا يوجد حاسوب كمي من أي نوع في الأفق. هناك حاجة إلى تحقيق اختراق علمي للانتقال من إنتاج حوالي عشرة كيوبت (بتات كمية) إلى قدرة إنتاجية تصل إلى الآلاف. يحتاج الكمبيوتر الكمي إلى آلاف الكيوبتات ليتمكن من تصحيح الأخطاء!
تحميل
لاحظ أن الفجوة التكنولوجية بين ما هو مرغوب وما هو موجود، كما تصف، هي فجوة كمية وليست نوعية. صحيح أنه لا تزال هناك بعض الصعوبات في الطريق، ولكن مما رأيته حتى الآن، فإن الكمبيوتر الكمي هو شيء لم يعد يبدو بعيدًا بعد الآن.
طازج
الكمبيوتر الكمي هو فكرة نظرية. مصدرها، من بين أمور أخرى، من عالم حائز على جائزة نوبل (وليس في هذا السياق)
ريتشارد فاينمان. منذ عام 1995 عندما اقترح شور خوارزميته لتحليل الأعداد الكبيرة
وسرعان ما ظهر دافع هائل لمحاولة بناء حاسوب كمي في المختبر. حتى يومنا هذا ليس من الواضح ما إذا كان من الممكن من الناحية التكنولوجية إنتاج حاسوب كمي، وهناك أيضًا شكوك حول الإمكانية الأساسية لبناء مثل هذا النظام الحسابي.
إن التحديات التي تواجه التجريبيين الذين يحاولون إنشاء كمبيوتر كمي في المختبر هائلة. واليوم، الوضع الراهن هو أنهم تمكنوا من إنتاج "حاسوب كمومي" يحتوي على حوالي 10 بتات كمومية. لكي يُطلق على النظام الموجود في المختبر اسم الكمبيوتر الكمي، هناك حاجة إلى حوالي 1000 بت كمومي (تقدير مبسط)، وذلك حتى يمكن تشغيل خوارزميات تصحيح الأخطاء عليه.
هل الكمبيوتر الكمي شيء موجود بالفعل اليوم؟
عن تاريخ الفكرة:
ولدت فكرة الحوسبة الكمومية على يد فاينمان عندما أدرك أن حساب الأنظمة الكمومية باستخدام جهاز كمبيوتر "عادي" (يعتمد على الفيزياء الكلاسيكية) مهمة معقدة وربما مستحيلة بسبب
بالحسابات الحالية، فكر فاينمان لماذا لا نقلب المشكلة رأسًا على عقب. لماذا لا يتم حساب النظام الكلاسيكي بواسطة
آلة الحوسبة الكمومية؟ أول من فكر نظريًا في فكرة حساب الأنظمة الكمومية باستخدام الحاسوب الكمي هما: كريستوفر زالكا، وشيف لويد (1996).
شكد ماذا ستفعل بها، احسب الطاقة التي على اليمين؟
لا مشكلة، فقط اترك رقم بطاقتك الائتمانية هنا وسنرسل لك واحدًا على الفور.
أريد جهاز كمبيوتر مثل هذا في دراستي.
تصحيح طفيف:
"من أجل تشفير المعلومات" (في منتصف المقال تقريبًا) CEL "من أجل تشفير المعلومات"
ولمن يريد هذا رابط المقال
دوى:10.1038/nchem.483
إذا فهمت بشكل صحيح، فإن الابتكار يكمن في "النهج" - أي - محاكاة نظام كمي بواسطة نظام كمي آخر. الابتكار هو في تطبيق مبدأ القياس باستخدام النظام الكمي.
لا يعد هذا الابتكار طفرة في تكنولوجيا الكمبيوتر الكمي في حد ذاته.
مذهل، إذا لم أكن مخطئًا، فهذه هي المرة الأولى التي يتم فيها استخدام الكمبيوتر الكمي في التطبيقات العملية. ومن المؤسف أنه لا يوجد تفسير أكثر تعمقًا حول بنية النظام التجريبي نفسه وكيفية فك تشفير المخرجات.