دانشمندان گوگل: شبیه‌سازی کوانتومی می‌تواند به کشف‌های بی‌سابقه‌ای در سریع‌ترین ابررایانه‌ها منجر شود

شبیه‌سازی کوانتومی چیست؟

شبیه‌سازی کوانتومی فرآیندی است که در آن رایانه‌ها فرآیندهای فیزیکی و سیستم‌های بزرگ کوانتومی، مانند مولکول‌های پیچیده را شبیه‌سازی می‌کنند. مهندسان در این فرآیند، اثرات فیزیک کوانتوم را بر روی این فرآیندها مدل‌سازی می‌کنند.

با این حال، انجام این کار با رایانه‌های کلاسیک دشوار است زیرا باید تعامل هر ذره با سایر ذرات را مدل‌سازی کرد. از آنجایی که ذرات زیراتمی احتمال وجود در چند حالت همزمان را دارند و می‌توانند با یکدیگر درهم‌تنیده شوند، پیچیدگی محاسبات به سرعت با افزایش تعداد ذرات افزایش می‌یابد.

استفاده از رایانه‌های کوانتومی

به جای استفاده از رایانه‌های کلاسیک، دانشمندان به رایانه‌های کوانتومی روی آورده‌اند که رفتار آنها تحت قوانین فیزیک کوانتوم قرار دارد. اگر کیوبیت‌ها به درستی درهم‌تنیده یا مرتبط شوند، می‌توانند سیستم‌های بزرگتر کوانتومی را بدون نیاز به محاسبه صریح هر مرحله از تحول سیستم شبیه‌سازی کنند.

انواع شبیه‌سازی کوانتومی

دو نوع شبیه‌سازی کوانتومی وجود دارد:

1. شبیه‌سازی دیجیتال: که به محققان اجازه می‌دهد بین حالت‌های کوانتومی به صورت انتخابی جابجا شوند.

2. شبیه‌سازی آنالوگ: که بسیار سریع‌تر است و شامل درهم‌تنیدن تمامی کیوبیت‌ها در یک سیستم به طور همزمان است.

با این حال، از آنجا که کیوبیت‌ها ممکن است خطا داشته باشند، این روش ممکن است منجر به تولید نویز غیرمعنی شود.

رویکرد جدید ترکیبی

روش جدید شبیه‌سازی کوانتومی که در تاریخ ۵ فوریه در نشریه Nature منتشر شد، از هر دو نوع شبیه‌سازی دیجیتال و آنالوگ بهره می‌برد و آنها را به یک رویکرد چندمرحله‌ای ترکیب می‌کند.

این رویکرد ترکیبی ابتدا با یک لایه شبیه‌سازی دیجیتال آغاز می‌شود که در آن دانشمندان وضعیت‌های اولیه کیوبیت‌ها را آماده می‌کنند. سپس فرآیند به شبیه‌سازی آنالوگ منتقل می‌شود تا به حالت‌های خاص کوانتومی که محققان قصد مطالعه آنها را دارند، تکامل یابد. در نهایت، دوباره به شبیه‌سازی دیجیتال بازمی‌گردد تا وضعیت‌های کوانتومی را دقیقاً تنظیم کند و مسائل جذاب فیزیکی را حل کند.

پیشرفت‌های آینده

به گفته هارت موت نوون، بنیانگذار و مدیر گوگل کوانتوم AI، تحقیقات جدید نشان می‌دهد که رایانه‌های کوانتومی احتمالاً در پنج سال آینده عملکرد بهتری نسبت به ابررایانه‌های معمولی خواهند داشت. زمان‌بندی برای دستیابی به این هدف متفاوت است و برخی پیش‌بینی می‌کنند که ممکن است تا ۲۰ سال طول بکشد یا اینکه ممکن است در چند سال آینده قابل دستیابی باشد.

دانشمندان قبلاً نشان داده‌اند که تراشه‌های محاسباتی کوانتومی گوگل، از جمله Sycamore و Willow، قادر به عملکرد بهتر از قوی‌ترین ابررایانه‌ها هستند، اما تا کنون فقط در آزمایشات مقایسه‌ای. برای دستیابی به برتری واقعی در سناریوهای عملی، نیاز به بهبودهای بیشتر در دقت کالیبراسیون و کنترل دارند و همچنین باید مسائلی را شناسایی کنند که هم با شبیه‌سازی کوانتومی حل شوند و هم برای رایانه‌های کلاسیک بسیار پیچیده باشند.

کشف‌های جدید

روش ترکیبی جدید همچنین موجب افزایش قابلیت‌های رایانه‌های کوانتومی امروزی شده و برای کشف‌های علمی جدید مورد استفاده قرار گرفته است. برای مثال، دانشمندان گوگل سوالاتی درباره رفتار آهنرباها هنگام سرد شدن به دماهای بسیار پایین و نحوه انتقال انرژی از قسمت گرم به سرد بررسی کردند.

این رویکرد همچنین نشان داد که مکانیزم کیبل-زورک (KZM) — مدلی شناخته‌شده برای پیش‌بینی محل تشکیل نقص‌ها در مواد — همیشه درست نیست. شبیه‌سازی جدید نشان‌دهنده فیزیک کاملاً جدیدی بود که قبلاً ناشناخته بود. این نمونه‌ای از نوع کشف‌هایی است که شبیه‌سازی کوانتومی ترکیبی می‌تواند مورد بررسی قرار دهد.