به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، تیمی از محققان 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.
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 می‌کنند: در اینجا ما یک شبیه‌ساز کوانتومی ارائه می‌کنیم که هم از دروازه‌های کوانتومی جهانی و هم از تکامل آنالوگ با وفاداری بالا پشتیبانی می‌کند، با عملکردی فراتر از دسترس شبیه‌سازی کلاسیک در آزمایش‌های معیار آنتروپی متقابل.»
در حالی که کامپیوتر‌های کوانتومی برای انجام محاسبات مختلف طراحی شده‌اند، این شبیه ساز برای مدل سازی سیستم‌های کوانتومی تخصصی است. این می‌تواند فرآیند‌های فیزیکی را در یک محیط کنترل شده تکرار کند، و آن را به ابزار موثرتری برای مطالعه مواد، مغناطیس و ترمودینامیک نسبت به کامپیوتر‌های کوانتومی استاندارد تبدیل می‌کند.
محاسبات کوانتومی دیجیتال در مقابل آنالوگ
محاسبات کوانتومی به دو رویکرد دیجیتال و آنالوگ تقسیم شده است. اولی با دستکاری کیوبیت‌ها با استفاده از گیت‌های کوانتومی، مشابه نحوه استفاده کامپیوتر‌های کلاسیک از گیت‌های منطقی، عمل می‌کند.
این برای حل طیف گسترده‌ای از مسائل محاسباتی مرتبط با الگوریتم ها، یادگیری ماشین و رمزنگاری ایده آل است. به عنوان مثال، یک پیچ و خم پیچیده و عظیم با مسیر‌ها و بن بست‌های بی شمار را تصور کنید. یک کامپیوتر کلاسیک هر مسیر را یکی یکی کاوش می‌کند تا خروجی را پیدا کند، که ممکن است زمان زیادی طول بکشد.
از سوی دیگر، یک کامپیوتر کوانتومی دیجیتال به لطف ویژگی‌های کوانتومی مانند برهم نهی، 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 ماز را به صفر برساند، حتی اگر پیچ و خم فوق‌العاده پیچیده باشد.
یک کامپیوتر کوانتومی آنالوگ جالب‌تر است. به جای انجام عملیات منطقی گام به گام مانند یک کامپیوتر کوانتومی دیجیتال، مستقیماً رفتار یک سیستم فیزیکی را با نگاشت ذرات کوانتومی روی کیوبیت تقلید می‌کند. اساساً می‌تواند تعامل بین مولکول‌ها و ذرات را در یک محیط کنترل شده شبیه سازی کند.
برای مثال، فرض کنید می‌خواهید نحوه حرکت الکترون‌ها در یک ماده پیچیده مانند یک ابررسانا با دمای بالا را مطالعه کنید.
به جای حل معادلات با استفاده از یک کامپیوتر کوانتومی دیجیتال، یک شبیه‌ساز کوانتومی آنالوگ 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 زمان واقعی مشاهده کنند.
ایجاد یک سیستم دو در یک
کامپیوتر‌های کوانتومی دیجیتال و آنالوگ هر دو دارای معایب و محاسن خود هستند. برای مثال، کامپیوتر‌های آنالوگ سریع‌تر، اما سخت‌تر برنامه‌نویسی می‌شوند، در حالی که رایانه‌های دیجیتال نسبتاً کندتر هستند، اما برنامه‌نویسی آنها آسان‌تر است.
شبیه ساز کوانتومی جدید توسعه یافته بهترین ویژگی‌های سیستم‌های دیجیتال و آنالوگ را ترکیب می‌کند. نویسندگان 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.
قادر به انجام محاسبات پیچیده در حالی که برهمکنش ذرات را تکرار می‌کند. به عنوان مثال، برای تأیید رویکرد خود، محققان از شبیه‌ساز کوانتومی برای مطالعه فرآیند گرمایی‌سازی استفاده کردند – اینکه چگونه یک سیستم در طول زمان به تعادل حرارتی می‌رسد.
آنها آزمایش خود را با استفاده از قیاس فنجان قهوه توضیح دادند. به گفته محققان، هیچ کامپیوتر کلاسیکی نمی‌تواند فعل و انفعالات کوانتومی را توضیح دهد که باعث می‌شود شیر سرد در قهوه داغ پراکنده شود.
با این حال، محققان با استفاده از شبیه ساز 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 شبیه ساز کوانتومی است - به دانشمندان اجازه می‌دهد تا شرایط اولیه را به روشی ساختاریافته و انعطاف پذیر تنظیم کنند.
هنگامی که شیر در قهوه قرار می‌گیرد، دقیقاً در آن ۱۰۰ نقطه باقی نمی‌ماند - 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 شبیه ساز کوانتومی است - به کیوبیت‌ها اجازه می‌دهد تا به طور طبیعی رفتار کوانتومی دنیای واقعی را شبیه سازی کنند.
شبیه ساز کوانتومی می‌تواند در‌های زیادی را باز کند
قیاس فنجان قهوه فقط یک مثال کوچک از کاری است که شبیه ساز کوانتومی دیجیتال آنالوگ می‌تواند انجام دهد. پیامد‌های علمی و فناوری گسترده‌ای دارد.
برای مثال، در فیزیک ماده چگال، می‌تواند به محققان در مطالعه حالت‌های مغناطیسی عجیب و غریب، مانند مغناطیس ناامید، که برای توسعه فناوری‌های محاسباتی جدید مبتنی بر اسپین الکترون به جای بار، حیاتی است، 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 برهم‌کنش‌های مولکولی پیچیده با دقت بیشتری نسبت به رایانه‌های کلاسیک، منجر به توسعه دارو‌های بهتر و ایمن‌تر شود.