شبیه ساز کوانتومی گوگل سریع ترین ابررایانه ها را شکست می دهد

به گزارش لینک بگیر دات کام به نقل از ایسنا، گروهی از محققان شرکت گوگل و مرکز محاسبات علمی PSI یک شبیه ساز کوانتومی جدید بوجود آورده اند که می تواند عملیات محاسبات کوانتومی دیجیتال و آنالوگ را با دقت زیادی انجام دهد.
به نقل از آی ای، این شبیه ساز شامل ۶۹ کیوبیت ابررسانا است و به دانشمندان اجازه می دهد فرآیندهای کوانتومی را که حتی سریع ترین ابر رایانه های روی زمین نمی توانند رمزگشایی کنند، مطالعه کنند.
محققان خاطرنشان کردند: در اینجا ما یک شبیه ساز کوانتومی عرضه می دهیم که هم از دروازه های کوانتومی جهانی و هم از تکامل آنالوگ با وفاداری بالا، با عملکردی فراتر از دسترسی شبیه سازی کلاسیک در آزمایش های معیار آنتروپی متقابل پشتیبانی می کند.
در حالیکه کامپیوتر های کوانتومی برای انجام محاسبات مختلف طراحی شده اند، این شبیه ساز برای مدل سازی سیستم های کوانتومی تخصصی ساخته شده است. این شبیه ساز می تواند فرآیندهای فیزیکی را در یک محیط کنترل شده تکرار کند و آنرا نسبت به کامپیوتر های کوانتومی استاندارد به ابزار مؤثرتری برای مطالعه مواد، مغناطیس و ترمودینامیک تبدیل می کند.

محاسبات کوانتومی دیجیتال در مقابل آنالوگ
محاسبات کوانتومی به دو رویکرد دیجیتال و آنالوگ تقسیم شده اند. اولی با دستکاری کیوبیت ها با بهره گیری از دروازه های کوانتومی، مشابه با روش استفاده کامپیوترهای کلاسیک از دروازه های منطقی عمل می کند که برای حل قشر بزرگی از مسایل محاسباتی در رابطه با الگوریتم ها، یادگیری ماشین و رمزنگاری ایده آل است.
بعنوان مثال، یک مسیر معمایی پیچیده و عظیم با مسیرها و بن بست های بی شمار را تصور کنید. یک کامپیوتر کلاسیک هر مسیر را یکی یکی کاوش می کند تا خروجی را پیدا کند که امکان دارد زمان زیادی زمان ببرد.
از طرف دیگر، یک کامپیوتر کوانتومی دیجیتال به لطف خصوصیت های کوانتومی مانند «برهم نهی کوانتومی» می تواند چندین مسیر را به صورت همزمان کاوش کند. سپس با بهره گیری از دروازه های کوانتومی برای پردازش اطلاعات می تواند به سرعت مسیر صحیح خروج از مسیر معمایی را حتی اگر فوق العاده پیچیده باشد، به صفر برساند.
یک کامپیوتر کوانتومی آنالوگ جالب تر است، چون که 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 می کند و اساساً می تواند تعامل بین مولکول ها و ذرات را در یک محیط کنترل شده شبیه سازی کند.
برای نمونه، فرض کنید می خواهید نحوه حرکت الکترون ها را در یک ماده پیچیده مانند یک ابررسانا با دمای بالا مطالعه کنید.
یک شبیه ساز کوانتومی آنالوگ به جای حل معادلات با بهره گیری از یک کامپیوتر کوانتومی دیجیتال، یک سیستم مصنوعی با کیوبیت هایی به وجود می آورد که رفتاری مشابه با الکترون های موجود در ماده دارند و به محققان اجازه می دهد تا برهم کنش های کوانتومی را در لحظه مشاهده کنند.

ایجاد یک سیستم دو در یک
کامپیوتر های کوانتومی دیجیتال و آنالوگ هر دو دارای معایب و محاسن خاص خود هستند. برای نمونه، کامپیوتر های آنالوگ سریع تر هستند، اما سخت تر برنامه نویسی می شوند، در حالیکه کامپیوتر های دیجیتال نسبتاً کندتر هستند، اما برنامه نویسی آنها آسان تر است.
این شبیه ساز کوانتومی جدید توسعه یافته، بهترین خصوصیت های سیستم های دیجیتال و آنالوگ را ترکیب می کند. نویسندگان این مطالعه خاطرنشان کردند: این دو رویکرد (دیجیتال و آنالوگ) حالا برای نخستین بار در آزمایشی که نقاط قوت هر دو جهان را گرد هم می آورد، با موفقیت ترکیب شده اند.
این شبیه ساز قادر به انجام محاسبات پیچیده در حالیست که برهمکنش ذرات را تکرار می کند. بعنوان مثال، محققان برای تأیید رویکرد خود از شبیه ساز کوانتومی برای مطالعه فرایند گرمایی سازی استفاده کردند. به این مفهوم که یک سیستم چگونه در طی زمان به تعادل حرارتی می رسد.
آنها آزمایش خویش را با بهره گیری از مثال فنجان شیرقهوه توضیح دادند. به قول محققان، هیچ کامپیوتر کلاسیکی نمی تواند فعل و انفعالات کوانتومی را که سبب می شوند شیر سرد در قهوه داغ پراکنده شود، توضیح دهد.
با این وجود، محققان با بهره گیری از شبیه ساز کوانتومی خود، به جای ریختن تصادفی شیر، ابتدا می توانند قطرات شیر ​​را در ۱۰۰ مکان خاص در فنجان به صورت همزمان رها کنند. این سطح از کنترل مانند جنبه دیجیتال شبیه ساز کوانتومی است که به دانشمندان اجازه می دهد تا شرایط اولیه را به روشی ساختاریافته و انعطاف پذیر تنظیم کنند.
هنگامی که شیر در قهوه ریخته می شود، در آن ۱۰۰ نقطه مشخص باقی نمی ماند و به صورت طبیعی پخش می شود و با مخلوط شدن با قهوه، الگوهایی را تشکیل می دهد. این پخش شدن به سبب جریان طبیعی مایع و گرمای موجود در قهوه اتفاق می افتد. این بخش مانند حالت آنالوگ در شبیه ساز کوانتومی است که به کیوبیت ها اجازه می دهد تا به صورت طبیعی رفتار کوانتومی دنیای واقعی را شبیه سازی کنند.

توانایی راهگشای شبیه ساز کوانتومی
قیاس فنجان شیرقهوه فقط یک مثال کوچک از کاری است که این شبیه ساز کوانتومی دیجیتال آنالوگ می تواند انجام دهد. این شبیه ساز، نتایج علمی و فناوری گسترده ای دارد.
برای نمونه، در فیزیک ماده چگال می تواند به محققان در مطالعه حالت های مغناطیسی عجیب و غریب، مانند توسعه فناوری های محاسباتی جدید مبتنی بر اسپین الکترون به جای بار آنها کمک نماید.
این شبیه ساز امکان دارد با کمک به طراحی ابررساناهای با دمای بالا که می تواند انتقال انرژی را متحول کند، به علم مواد کمک نماید. علاوه بر این، می تواند با مدل سازی فعل و انفعالات مولکولی پیچیده با دقت بیشتری نسبت به کامپیوتر های کلاسیک، منجر به توسعه داروهای بهتر و ایمن تر شود.
با این وجود، نویسندگان این مطالعه باید این شبیه ساز را بزرگتر کنند و آنرا برای تحقق همه قابلیت های ذکر شده در بالا بسیار قدرتمندتر کنند.
این مطالعه در مجله Nature انتشار یافته است.