نجح فريق دولي من الباحثين لأول مرة في محاكاة وحساب عملية كيميائية باستخدام حاسوب كمي يعتمد على الأيونات المحاصرة
الائتمان: هارالد ريتش / IQOQI انسبروك
محاكاة الجزيء باستخدام الكمبيوتر الكمي
قامت مجموعة من الباحثين المتمركزين على الدكتور كورنيليوس همبل من جامعة سيدني بالبحث في طرق فعالة لنمذجة وحساب الروابط والتفاعلات الكيميائية باستخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية. تم نشر المقال في مجلة Physical Review X الصادرة عن الجمعية الأمريكية للأبحاث الفيزيائية. "حتى أجهزة الكمبيوتر العملاقة تواجه صعوبة في نمذجة العمليات الكيميائية الأساسية بدقة. يمكن للكمبيوتر الكمي محاكاة (محاكاة) الطبيعة والكشف عن معرفة جديدة حول العالم المادي. ستمنح أجهزة الكمبيوتر الكمومية الباحثين وسائل جديدة لحل المشكلات في علوم المواد والطب والصناعة الكيميائية بمساعدة عمليات المحاكاة التي ستحاكي ما يحدث.
لا تزال الأبحاث حول الحواسيب الكمومية في بداياتها وليس من الواضح بعد ما هي المشاكل التي سيتمكن هذا الجهاز من حلها بشكل فعال، ولكن المجال الذي يتفق عليه معظم الباحثين هو كيمياء الكم. من المحتمل أن يكون هذا هو النجاح الأكثر أهمية لأجهزة الكمبيوتر الكمومية في المستقبل القريب.
تعلمنا كيمياء الكم عن الروابط الكيميائية المعقدة بين الذرات والجزيئات، ويمكن دراسة هذه الروابط بمساعدة قوانين ميكانيكا الكم. ومن خلال الخوارزميات التي يمكن تنفيذها على أجهزة الكمبيوتر الكمومية، يأمل العلماء في اكتشاف طرق أبسط وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة لصنع الجزيئات، حتى تتمكن صناعة المواد وعالم الطب من توفير التكاليف وزيادة الإنتاج. قد تساعد أجهزة الكمبيوتر الكمومية في فك رموز الحمض النووي، والطب الشخصي، وزيادة كفاءة الخلايا الشمسية وإنشاء بطاريات قوية جدًا.
استخدم الدكتور همبل، مع زملائه من مركز البصريات الكمومية ومركز المعلومات الكمومية في أستراليا، حاسوبًا كميًا مزودًا بـ 20 كيوبتًا لتشغيل خوارزمية تحاكي الرابطة الكيميائية بين جزيء مصنوع من ذرة الهيدروجين وهيدريد الليثيوم (الليثيوم). مرتبطة بذرة هيدروجين). تم اختيار هذا الجزيء عن قصد لأنه جزيء يسهل نسبيًا محاكاته حتى باستخدام أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية (غير الكمومية)، وبالتالي يمكن للعلماء التحقق ومقارنة النتيجة التي حصلوا عليها مع المعرفة الأدبية الموجودة. وقال الدكتور همبل: "هذه خطوة مهمة في تطوير تكنولوجيا الكم، وبمساعدة هذه المحاكاة يمكننا فحص ما يصلح وما لا يصلح وكيف يمكن تحسينه". في بحث الدكتور همبل، ركز هو وفريقه على طرق تحسين الخوارزمية المعروفة لتصوير هذا الجزيء. ومن خلال إعادة كتابة الكود الكمي، وجد الباحثون طرقًا جديدة لقمع الأخطاء في الحساب وزيادة الدقة في المحاكاة.
على أجهزة الكمبيوتر الكمومية والحبس الأيوني
يتم تخزين المعلومات الموجودة في أجهزة الكمبيوتر البايتية ومعالجتها في شكل ثنائي في وحدات ذاكرة تسمى البتات (أصغر وحدات الذاكرة) والتي يمكن أن تكون إما صفرًا أو واحدًا. أي أن كل حرف أو كل أمر تكتبه على الكمبيوتر يتم ترجمته إلى مجموعة من الأرقام الفريدة 0,1. هذه البتات مصنوعة من ترانزستورات وهي في الواقع مفاتيح يمكنها في حالات معينة إما تمرير التيار (في هذه الحالة نسميها 1) أو تمنع التيار من المرور عبرها (في هذه الحالة نسميها 0). في المقابل، فإن أجزاء الكمبيوتر الكمومي (وتسمى الكيوبتات) هي في الواقع أيونات (جسيمات مشحونة). لكي يتم استخدام الجسيمات كترانزستورات، يجب العثور على ميزة يمكنها استيعاب حالتين مختلفتين على الأقل في الجسيم (على غرار المفتاح).
تسمى هذه الخاصية بالدوران - يبسط الباحثون وصف الدوران كما لو أن الجسيم يدور حول نفسه تمامًا كما تدور الأرض حول نفسها وتكوّن البحار. عندما يدور الجسيم في اتجاه عقارب الساعة، ستكون قيمته الثنائية صفرًا، وعكس اتجاه عقارب الساعة ستكون قيمته الثنائية واحدًا. على عكس الأرض، التي لا يمكنها الدوران إلا في اتجاه واحد في كل مرة، يمكن للجسيم الكمي أن يكون "جزءًا" من كل شيء في نفس الوقت. هذه خاصية معروفة في الكم تسمى التراكب والتي تسمح للجسيم أن يدور إلى حد ما في اتجاه عقارب الساعة وإلى حد آخر أن يدور عكس اتجاه عقارب الساعة. وهذه ميزة غير بديهية لأنها تتعارض مع الواقع الذي اعتدنا عليه، ولكنها بالتأكيد روتين يمكن قياسه في العالم الكمي. يتيح التراكب للحاسوب الكمومي أن يكون في عدة حالات في نفس الوقت ويسمح للكمبيوتر بالعثور على حل للمشكلة بسرعة وكفاءة، في الواقع يضاعف كل كيوبت عدد الحالات التي يمكن أن يكون فيها الكمبيوتر الكمومي في أي لحظة. من أجل الحفاظ على هذه الميزة المهمة جدًا لأجهزة الكمبيوتر الكمومية (ولكنها ليست الوحيدة) ولإجراء العمليات الحسابية باستخدامها، من الضروري قفل الجسيمات في مكانها وعزلها عن البيئة.
وباستخدام التقنية المعروفة لاحتجاز الأيونات بواسطة الموجات الدقيقة، يمكن بناء معالج الكمبيوتر الكمي. ويتم الحساب من خلال التفاعل مع الجسيمات من خلال "إطلاق" أشعة الليزر المركزة على الجسيمات. حتى مع وجود عدد صغير جدًا من الكيوبتات، يعتقد الباحثون أنه من الممكن حل المشكلات التي لا يستطيع أي كمبيوتر كلاسيكي في العالم اليوم أو في المستقبل الإجابة عليها.
تعليقات 2
هذا سؤال ممتاز، ولم تكن الإجابة عليه واضحة للباحثين عندما كانوا يفكرون في أجهزة الكمبيوتر الكمومية. إن الادعاء بأن أجهزة الكمبيوتر الكمومية يمكنها إجراء عمليات حسابية بشكل أسرع يجب أن يقاس في نهاية المطاف بعدد العمليات التي تقوم بها للوصول إلى الحل. كلما قل عدد العمليات، كلما كان الكمبيوتر أسرع. מדעני מחשב כבר חשבו בעבר על מחשב עם 3 מצבי ביט – 0,1,2 או יותר וראו ששום אלגוריתם במחשב מוזר זה יכול לגבור על מחשבים עם שני מצבים בודדים של 0,1, אז איך מחשב קוונטי, שלכאורה מכיל בתוכו אינסוף מצבים לכל ספין مفضل؟ اتضح أنه في أجهزة الكمبيوتر الكمومية هناك خوارزميات تزيد سرعتها عن الكمبيوتر الكلاسيكي، على سبيل المثال خوارزمية البحث الخاصة بـ Grover. لنفترض أنك تريد البحث عن بطاقة واحدة في مجموعة أوراق اللعب. الطريقة البسيطة ومعروفة هي مراجعة كل بطاقة على حدة والتحقق مما إذا كانت هذه هي البطاقة المقصودة. إذا أعطينا نفس المشكلة لأجهزة الكمبيوتر الكمومية، فإن عدد العمليات سيكون على الأكثر الجذر التربيعي لعدد البطاقات في يدك.
لفهم كيفية عمل هذه الخوارزمية فعليًا، تحتاج إلى فهم بعض الأشياء حول ميكانيكا الكم، لكن الفكرة كالتالي - لنفترض أن لديك 10 بطاقات في يدك وتريد العثور على بطاقة واحدة. أنت لا تعرف ما هي البطاقة، لذلك تقول أنه يمكن لأي شخص أن يكون البطاقة التي تريدها بنفس الاحتمالية. نحن نسمي هذا الادعاء حالة كمومية ولها حقًا معنى فيزيائي - لنفترض أن الاحتمال متساوٍ بالفعل، عندما أطلب من الكمبيوتر الكمي أن يرسم بطاقة لي، فإنه سيختار بطاقة بشكل عشوائي وفي مثل هذه الحالة عُشر فقط من المرات سوف يسحب البطاقة التي كنا نبحث عنها. من الآن فصاعدا سنرفق بكل بطاقة رقما يمثل احتمال أن يقوم الكمبيوتر الكمي بسحب البطاقة بمجرد طلبها، أو بمعنى آخر عندما يقوم الكمبيوتر "بقياس" النظام. وهنا أيضًا يأتي دور التراكب - فالادعاء بوجود احتمالية معينة لسحب كل بطاقة يعني أن مجموعتي أصبحت الآن في حالة "تراكب"، حيث لا يمكن سحب كل بطاقة في المجموعة من المواقف المختلطة.
الآن أقوم بإجراء سلسلة عمليات خوارزمية جروفر على هذه الحالة الكمومية (أو على حد تعبيرنا على حزمة البطاقات) - في كل مرة تعمل فيها مثل هذه العملية على الحالة الكمومية سيزداد الرقم المرافق للبطاقة التي أبحث عنها أي أن احتمال قيام الكمبيوتر الكمي برسمها سيزداد وستنخفض الأرقام الأخرى. ولكي يكون القياس مؤكدًا بدرجة كافية، يجب إجراء هذه العملية مرات كافية. ومع ذلك، فإن عدد المرات أقل بكثير من عدد العمليات على الكمبيوتر الكلاسيكي، بل ويصبح مهمًا جدًا عندما يكون عدد البطاقات كبيرًا جدًا (تذكر أن عدد العمليات للعثور على البطاقة في الكمبيوتر الكمي هو الجذر التربيعي لعدد البطاقات، ولكن في الكمبيوتر الكلاسيكي، من ناحية أخرى، هو العدد الدقيق للبطاقات الموجودة). لذا، هذا صحيح، قد يكون هناك موقف حيث سيُظهر لنا الكمبيوتر بطاقة خاطئة، لكن احتمال حدوث ذلك سيكون صغيرًا جدًا.
هناك من يحب أن يدعي العبارة التالية حول أجهزة الكمبيوتر الكمومية: نظرًا لأن جميع الحالات مرتبطة ببعضها البعض ولأنها يمكن أن تكون في أي حالة في نفس الوقت، يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية أن تمر بجميع الاحتمالات في نفس الوقت وتكشف الإجابة لنا على الفور، مقارنة بأجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية التي تمر باحتمال واحد في كل لحظة، وبالتالي سيستغرق الأمر وقتًا طويلاً للتوصل إلى إجابة. هذا الادعاء غير دقيق - صحيح أن الكمبيوتر الكمي يمر بكل الاحتمالات، ولكن علينا مساعدته إلى حد ما للعثور على الإجابة التي نبحث عنها، ولهذا السبب توجد الخوارزميات.
هناك مشاكل لا يتفوق عليها الحاسوب الكمي في قدراته على الحاسوب الكلاسيكي، وعالم الكم ليس دائما ميزة، ولكن في مشاكل البحث، وغيرها من المشاكل يتمتع الحاسوب الكمي بميزة هائلة.
وفي سياق المقال - تواجه الظواهر الكمومية مثل الروابط الكيميائية بشكل خاص هذه الصعوبات - لأن الجزيئات تخضع لقوانين الكم ويمكن أن تكون في عدة حالات في نفس الوقت، والسؤال هو كيف يقرر الجزيء أن يدير في هذه الحالة بالذات طريق؟ - في الواقع، جميع الجزيئات في الطبيعة تفضل أن تبقى في حالة تتطلب أقل قدر من الطاقة لتكون فيها، السؤال هو ماذا؟ هناك الكثير من الخيارات التي يجب البحث عنها ويمكن أن تساعدنا أجهزة الكمبيوتر الكمومية في العثور عليها.
بعد قراءة العديد من المصادر، لا أحد يفهم حقًا ما هو الكمبيوتر الكمي.
يعرف الجميع كيفية سرد ماهية الكيوبت، والحديث عن التراكب، لكن لا أحد يعرف كيف يشرح مدى فائدته.
إذا أدى القياس إلى انهيار حالة الأيون إلى حتمية 0 أو 1... ما الذي يساعدني أنه أمامك كان في حالة مختلطة؟
لا أحد يعرف كيف يشرحها، وسأكون سعيدًا لو ظهر هنا أول حكيم يعرف كيف يشرحها باللغة البشرية.