قوت‌نمایی همانند‌ساز کوانتومی تازه گوگل_طلوع شرق

گروهی از محققان شرکت گوگل و مرکز محاسبات علمی PSI یک همانند‌ساز کوانتومی تازه تشکیل کرده‌اند که می‌تواند عملیات محاسبات کوانتومی دیجیتال و آنالوگ را با دقت بسیاری انجام دهد.

به نقل از آی‌ای، این همانند‌ساز شامل ۶۹ کیوبیت ابررسانا است و به دانشمندان اجازه می‌دهد فرآیندهای کوانتومی را که حتی سریع‌ترین ابررایانه‌های روی زمین نمی توانند رمزگشایی کنند، مطالعه کنند.

محققان خاطرنشان کردند: در اینجا ما یک همانند‌ساز کوانتومی اراعه می‌دهیم که هم از دروازه‌های کوانتومی جهانی و هم از تکامل آنالوگ با وفاداری بالا، با عملکردی فراتر از دسترسی همانند‌سازی کلاسیک در آزمایش‌های معیار آنتروپی متقابل حمایتمی‌کند.

در حالی که رایانه‌های کوانتومی برای انجام محاسبات گوناگون طراحی شده‌اند، این همانند‌ساز برای مدل‌سازی سیستم‌های کوانتومی تخصصی ساخته شده است. این همانند‌ساز می‌تواند فرآیندهای فیزیکی را در یک محیط کنترل شده تکرار کند و آن را نسبت به رایانه‌های کوانتومی استاندارد به ابزار مؤثرتری برای مطالعه مواد، مغناطیس و ترمودینامیک تبدیل می‌کند.

محاسبات کوانتومی دیجیتال در روبه رو آنالوگ

محاسبات کوانتومی به دو رویکرد دیجیتال و آنالوگ تقسیم شده‌اند. اولی با دستکاری کیوبیت‌ها با منفعت گیری از دروازه‌های کوانتومی، شبیه با نحوه منفعت گیری کامپیوترهای کلاسیک از دروازه‌های منطقی عمل می‌کند که برای حل طیف گسترده‌ای از مسائل محاسباتی مرتبط با الگوریتم‌ها، یادگیری ماشین و رمزنگاری ایده‌آل است.

به گفتن مثال، یک مسیر معمایی پیچیده و عظیم با مسیرها و بن‌بست‌های بی‌شمار را فکر کنید. یک رایانه کلاسیک هر مسیر را یکی یکی کاوش می‌کند تا خروجی را اشکار کند که امکان پذیر زمان بسیاری طول بکشد.

از نظر دیگر، یک رایانه کوانتومی دیجیتال به لطف ویژگی‌های کوانتومی همانند «برهم‌نهی کوانتومی» می‌تواند چندین مسیر را به طور همزمان کاوش کند. سپس با منفعت گیری از دروازه‌های کوانتومی برای پردازش اطلاعات می‌تواند به شدت مسیر صحیح خروج از مسیر معمایی را حتی اگر بسیار پیچیده باشد، به صفر رساند.

یک رایانه کوانتومی آنالوگ دلنشین‌تر است، چرا که به جای انجام عملیات منطقی قدم به قدم همانند یک رایانه کوانتومی دیجیتال، مستقیماً حرکت یک سیستم فیزیکی را با نگاشت ذرات کوانتومی روی کیوبیت پیروی می‌کند و اساساً می‌تواند تعامل بین مولکول‌ها و ذرات را در یک محیط کنترل شده همانند‌سازی کند.

برای مثال، فکر کنید می‌خواهید نحوه حرکت الکترون‌ها را در یک ماده پیچیده همانند یک ابررسانا با دمای بالا مطالعه کنید.

یک همانند‌ساز کوانتومی آنالوگ به جای حل معادلات با منفعت گیری از یک رایانه کوانتومی دیجیتال، یک سیستم مصنوعی با کیوبیت‌هایی تشکیل می‌کند که رفتاری شبیه با الکترون‌های حاضر در ماده دارند و به محققان اجازه می‌دهد تا برهم‌کنش‌های کوانتومی را در لحظه مشاهده کنند.

تشکیل یک سیستم دو در یک

رایانه‌های کوانتومی دیجیتال و آنالوگ هر دو دارای معایب و محاسن خاص خود می باشند. برای مثال، رایانه‌های آنالوگ سریع تر می باشند، اما سخت‌تر برنامه‌نویسی خواهد شد، در حالی که رایانه‌های دیجیتال نسبتاً کندتر می باشند، اما برنامه‌نویسی آنها آسان‌تر است.

این همانند‌ساز کوانتومی تازه گسترش یافته، بهترین ویژگی‌های سیستم‌های دیجیتال و آنالوگ را ترکیب می‌کند. نویسندگان این 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 پیروزی ترکیب شده‌اند.

این همانند‌ساز قادر به انجام محاسبات پیچیده در حالی است که برهمکنش ذرات را تکرار می‌کند. به گفتن مثال، محققان برای قبول رویکرد خود از همانند‌ساز کوانتومی برای مطالعه فرآیند گرمایی‌سازی منفعت گیری کردند. به این معنی که یک سیستم چطور در طول زمان به اعتدال حرارتی می‌رسد.

آنها آزمایش خود را با منفعت گیری از مثال فنجان شیرقهوه توضیح دادند. به حرف های محققان، هیچ کامپیوتر کلاسیکی نمی‌تواند فعل و انفعالات کوانتومی را که علتخواهد شد شیر سرد در قهوه داغ پراکنده شود، توضیح دهد.

با این حال، محققان با منفعت گیری از همانند‌ساز کوانتومی خود، به جای ریختن اتفاقی شیر، ابتدا می‌توانند قطرات شیر ​​را در ۱۰۰ مکان خاص در فنجان به طور همزمان رها کنند. این سطح از کنترل همانند جنبه دیجیتال همانند‌ساز کوانتومی است که به دانشمندان اجازه می‌دهد تا شرایط اولیه را به روشی ساختاریافته و انعطاف‌پذیر تنظیم کنند.

هنگامی که شیر در قهوه ریخته می‌شود، در آن ۱۰۰ نقطه اشکار باقی نمی‌ماند و به طور طبیعی پخش می‌شود و با مخلوط شدن با قهوه، الگوهایی را راه اندازی می‌دهد. این پخش شدن به علت جریان طبیعی مایع و گرمای حاضر در قهوه اتفاق می‌افتد. این قسمت همانند حالت آنالوگ در همانند‌ساز کوانتومی است که به کیوبیت‌ها اجازه می‌دهد تا به طور طبیعی حرکت کوانتومی دنیای واقعی را همانند‌سازی کنند.

توانایی راهگشای همانند‌ساز کوانتومی

قیاس فنجان شیرقهوه فقط یک مثال کوچک از کاری است که این همانند‌ساز کوانتومی دیجیتال آنالوگ می‌تواند انجام دهد. این همانند‌ساز، پیامدهای علمی و فناوری گسترده‌ای دارد.

برای مثال، در فیزیک ماده چگال می‌تواند به محققان در مطالعه حالت‌های مغناطیسی شگفت و غریب، همانند گسترش فناوری‌های محاسباتی تازه مبتنی بر اسپین الکترون به جای بار آنها پشتیبانی کند.

این همانند‌ساز امکان پذیر با پشتیبانی به طراحی ابررساناهای با دمای بالا که می‌تواند انتقال انرژی را منقلب کند، به علم مواد پشتیبانی کند. علاوه بر این، می‌تواند با مدل‌سازی فعل و انفعالات مولکولی پیچیده با دقت بیشتری نسبت به رایانه‌های کلاسیک، تبدیل گسترش داروهای بهتر و ایمن‌تر شود.

با این حال، نویسندگان این مطالعه باید این همانند‌ساز را بزرگتر کنند و آن را برای تحقق همه قابلیت‌های ذکر شده در بالا زیاد پرقدرت کنند.

این مطالعه در مجله Nature انتشار شده است.