أجهزة كمبيوتر كمومية تمثيلية جديدة لحل المشكلات التي لم يكن بالإمكان حلها سابقًا

ابتكر الفيزيائيون نوعًا جديدًا من أجهزة الكمبيوتر الكمومية التناظرية التي يمكنها معالجة مشاكل الفيزياء الصعبة التي لا تستطيع أقوى أجهزة الكمبيوتر الرقمية العملاقة حلها.

تم نشر بحث جديد في فيزياء الطبيعة من خلال تعاون العلماء من جامعة ستانفورد في الولايات المتحدة وكلية دبلن الجامعية (UCD) في أيرلندا أظهروا أن نوعًا جديدًا من أجهزة الكمبيوتر التناظرية عالية التخصص ، والتي تتميز دوائرها بمكونات كمومية ، يمكنها حل المشكلات من طليعة فيزياء الكم التي كانت في السابق بعيد المنال. عند توسيع نطاق هذه الأجهزة ، قد تكون قادرة على إلقاء الضوء على بعض أهم المشكلات التي لم يتم حلها في الفيزياء.

على سبيل المثال ، لطالما أراد العلماء والمهندسون اكتساب فهم أفضل للموصلية الفائقة ، لأن المواد فائقة التوصيل الحالية – مثل تلك المستخدمة في آلات التصوير بالرنين المغناطيسي ، والقطارات عالية السرعة وشبكات الطاقة الموفرة للطاقة لمسافات طويلة – تعمل حاليًا فقط في درجات حرارة منخفضة للغاية ، مما يحد من استخدامها على نطاق أوسع. إن الكأس المقدسة لعلوم المواد هي العثور على مواد فائقة التوصيل في درجة حرارة الغرفة ، والتي من شأنها أن تحدث ثورة في استخدامها في مجموعة من التقنيات.

الدكتور أندرو ميتشل هو مدير مركز UCD للهندسة والعلوم والتكنولوجيا (C-QuEST) ، وهو فيزيائي نظري في كلية UCD للفيزياء ومؤلف مشارك في البحث.

قال ، “بعض المشاكل معقدة للغاية حتى بالنسبة لأسرع أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية الرقمية لحلها. تعد المحاكاة الدقيقة للمواد الكمومية المعقدة مثل الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية مثالًا مهمًا حقًا – هذا النوع من الحساب يتجاوز بكثير القدرات الحالية لأنه من وقت الحوسبة الأسي ومتطلبات الذاكرة اللازمة لمحاكاة خصائص النماذج الواقعية “.

“ومع ذلك ، فإن التطورات التكنولوجية والهندسية التي تقود الثورة الرقمية قد جلبت معها قدرة غير مسبوقة على التحكم في المادة على المستوى النانوي. وقد مكننا ذلك من تصميم أجهزة كمبيوتر تناظرية متخصصة ، تسمى” المحاكيات الكمية “، والتي تحل نماذج معينة في فيزياء الكم عن طريق الاستفادة من الخصائص الميكانيكية الكم المتأصلة لمكوناتها النانوية. بينما لم نتمكن بعد من بناء كمبيوتر كمي قابل للبرمجة متعدد الأغراض مع طاقة كافية لحل جميع المشكلات المفتوحة في الفيزياء ، ما يمكننا فعله الآن هو بناء أجهزة تمثيلية مخصصة بمكونات كمومية يمكنها حل مشاكل معينة في فيزياء الكم. ”

تشتمل بنية هذه الأجهزة الكمومية الجديدة على مكونات هجينة من أشباه الموصلات المعدنية مدمجة في دائرة إلكترونية نانوية ، ابتكرها باحثون في جامعة ستانفورد ، UCD ومختبر التسريع الوطني SLAC التابع لوزارة الطاقة (الموجود في ستانفورد). قامت مجموعة العلوم النانوية التجريبية في ستانفورد ، بقيادة البروفيسور ديفيد جولدهابر-جوردون ، ببناء وتشغيل الجهاز ، في حين أن النظرية والنمذجة قام بها الدكتور ميتشل في جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس.

قال البروفيسور غولدهابر-جوردون ، الباحث في معهد ستانفورد لعلوم المواد والطاقة ، “إننا نصنع دائمًا نماذج رياضية نأمل أن تلتقط جوهر الظواهر التي نهتم بها ، ولكن حتى لو اعتقدنا أنها صحيح أنها غالبًا ما تكون غير قابلة للحل في فترة زمنية معقولة “.

قال البروفيسور غولدهابر-جوردون ، مع جهاز محاكاة الكم ، “لدينا هذه المقابض لتحويل ما لم يكن لدى أي شخص من قبل”.

لماذا التناظرية؟

قال Goldhaber-Gordon إن الفكرة الأساسية لهذه الأجهزة التناظرية هي بناء نوع من تشابه الأجهزة مع المشكلة التي تريد حلها ، بدلاً من كتابة بعض رموز الكمبيوتر لجهاز كمبيوتر رقمي قابل للبرمجة. على سبيل المثال ، لنفترض أنك أردت التنبؤ بحركة الكواكب في سماء الليل وتوقيت الكسوف. يمكنك القيام بذلك عن طريق بناء نموذج ميكانيكي للنظام الشمسي ، حيث يقوم شخص ما بتشغيل كرنك ، وتمثل التروس المتشابكة الدوارة حركة القمر والكواكب.

في الواقع ، تم اكتشاف مثل هذه الآلية في حطام سفينة قديمة قبالة ساحل جزيرة يونانية يعود تاريخها إلى أكثر من 2000 عام. يمكن اعتبار هذا الجهاز بمثابة جهاز كمبيوتر تمثيلي مبكر جدًا.

حتى لا يتم استنشاقها ، تم استخدام الآلات التناظرية حتى أواخر القرن العشرين للحسابات الرياضية التي كانت صعبة للغاية بالنسبة لأجهزة الكمبيوتر الرقمية الأكثر تقدمًا في ذلك الوقت.

ولكن لحل مشاكل فيزياء الكم ، يجب أن تشتمل الأجهزة على مكونات كمومية. تتضمن بنية محاكاة الكم الجديدة دوائر إلكترونية ذات مكونات نانوية تخضع خصائصها لقوانين ميكانيكا الكم. الأهم من ذلك ، يمكن تصنيع العديد من هذه المكونات ، حيث يتصرف كل واحد بشكل متطابق بشكل أساسي مع المكونات الأخرى.

هذا أمر بالغ الأهمية للمحاكاة التناظرية للمواد الكمومية ، حيث يكون كل مكون من المكونات الإلكترونية في الدائرة وكيلًا لمحاكاة الذرة ، ويتصرف مثل “الذرة الاصطناعية”. تمامًا كما تتصرف الذرات المختلفة من نفس النوع في المادة بشكل متماثل ، لذلك يجب أيضًا أن المكونات الإلكترونية المختلفة للكمبيوتر التناظري.

لذلك يوفر التصميم الجديد مسارًا فريدًا لتوسيع نطاق التكنولوجيا من الوحدات الفردية إلى الشبكات الكبيرة القادرة على محاكاة المادة الكمومية الضخمة. علاوة على ذلك ، أظهر الباحثون أنه يمكن هندسة تفاعلات كمومية جديدة في مثل هذه الأجهزة. يعد العمل خطوة نحو تطوير جيل جديد من أجهزة الكمبيوتر الكمومية التناظرية ذات الحالة الصلبة والقابلة للتطوير.

بدايات الكم

لإثبات قوة الحساب الكمي التناظري باستخدام منصة Quantum Simulator الجديدة الخاصة بهم ، درس الباحثون أولاً دائرة بسيطة تشتمل على مكونين كميين مقترنين ببعضهما البعض.

يحاكي الجهاز نموذجًا من ذرتين مقترنة ببعضهما البعض عن طريق تفاعل كمي غريب. من خلال ضبط الفولتية الكهربائية ، تمكن الباحثون من إنتاج حالة جديدة من المادة حيث يبدو أن الإلكترونات لديها جزء واحد فقط من شحنتها الكهربائية المعتادة – ما يسمى بـ “Z3 parafermions”. تم اقتراح هذه الحالات المراوغة كأساس للحساب الكمي الطوبولوجي في المستقبل ، ولكن لم يتم إنشاؤها من قبل في المختبر في جهاز إلكتروني.

قال الدكتور ميتشل: “من خلال توسيع نطاق محاكي الكم من مكونين إلى العديد من المكونات ذات الحجم النانوي ، نأمل أن نتمكن من تصميم أنظمة أكثر تعقيدًا لا تستطيع أجهزة الكمبيوتر الحالية التعامل معها”. “قد تكون هذه هي الخطوة الأولى لكشف أخيرًا بعض أكثر الألغاز المحيرة في عالمنا الكمومي.”