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

ابتكر الفيزيائيون نوعًا جديدًا من أجهزة الكمبيوتر الكمومية التناظرية القادرة على حل المشكلات الفيزيائية الصعبة التي لا تستطيع أقوى أجهزة الكمبيوتر الرقمية العملاقة.

تم نشر بحث جديد في الفيزياء الطبيعية 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 تشتمل دوائرها على مكونات كمومية ، يمكنها حل المشكلات المتطورة في فيزياء الكم التي كانت موجودة سابقًا من الوصول. 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 بسبب ذلك مواد فائقة التوصيل—مثل تلك المستخدمة في أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي ، قطار شديد السرعة وشبكات الطاقة طويلة المدى الموفرة للطاقة – تعمل حاليًا فقط في درجات حرارة منخفضة للغاية ، مما يحد من استخدامها على نطاق أوسع. الكأس المقدسة لعلوم المواد هي العثور على مواد فائقة التوصيل في درجة حرارة الغرفة ، مما سيحدث ثورة في استخدامها في العديد 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 بحيث لا يمكن حلها حتى بواسطة أسرع أجهزة الكمبيوتر الرقمية الكلاسيكية. محاكاة دقيقة للمواد الكمومية المعقدة مثل موصلات فائقة في درجات الحرارة العالية مثال مهم حقًا – هذا النوع من الحساب يتجاوز بكثير القدرات الحالية بسبب وقت الحساب الأسي ومتطلبات الذاكرة اللازمة لمحاكاة خصائص النموذج الواقعية “.

“ومع ذلك ، فإن التطورات التكنولوجية والتقنية التي تقود الثورة الرقمية قد جلبت معها قدرة غير مسبوقة على التحكم في المادة على المستوى النانوي. وقد سمح لنا هذا بتصميم أجهزة كمبيوتر تناظرية متخصصة ، تسمى” المحاكيات الكمومية “، والتي تحل نماذج معينة من فيزياء الكم. من خلال الاستفادة من الخصائص الميكانيكية الكم المتأصلة لمكونات المقياس النانوي ، على الرغم من أننا لم نتمكن بعد من بناء كمبيوتر كمي قابل للبرمجة للأغراض العامة مع القوة الكافية لحل جميع المشكلات المفتوحة في الفيزياء ، ما يمكننا فعله الآن هو بناء مخصص- صنع أجهزة تناظرية بمكونات كمومية قادرة على حل مشاكل فيزياء الكم المحددة “.

تشتمل بنية هذه الأجهزة الكمومية الجديدة على مكونات هجينة من أشباه الموصلات المعدنية مدمجة في دائرة إلكترونية نانوية ، صممها باحثون من جامعة ستانفورد ، UCD ومختبر التسريع الوطني SLAC التابع لوزارة الطاقة (الموجود في ستانفورد). قامت المجموعة التجريبية لعلوم النانو بجامعة ستانفورد ، بقيادة البروفيسور ديفيد جولدهابر-جوردون ، ببناء وتشغيل الجهاز ، بينما تم إجراء النظرية والنمذجة بواسطة الدكتور ميتشل من جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس.

قال البروفيسور Goldhaber-Gordon ، وهو زميل باحث في معهد ستانفورد لعلوم المواد والطاقة: “نحن دائمًا نبتكر نماذج رياضية نأمل أن تلتقط جوهر الظواهر التي تهمنا ، ولكن حتى لو اعتقدنا أنها صحيح ، لا يمكن حلها في كثير من الأحيان في وقت معقول “.

قال البروفيسور جولدهابر-جوردون ، مع جهاز محاكاة الكم ، “لدينا هذه المقابض لتحويل لم يسبق لأحد أن استخدمها 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 رمز كمبيوتر لجهاز كمبيوتر رقمي قابل للبرمجة. على سبيل المثال ، لنفترض أنك تريد التنبؤ بحركات الكواكب في سماء الليل وتوقيت الكسوف. يمكنك القيام بذلك عن طريق بناء نموذج ميكانيكي للنظام الشمسي ، حيث يقوم شخص ما بتشغيل كرنك ، وتمثل التروس الدوارة المتداخلة حركة القمر والكواكب.

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

لا ينبغي إغفال الآلات التناظرية حتى نهاية القرن العشرين للحسابات الرياضية التي كانت صعبة للغاية بالنسبة لأجهزة الكمبيوتر الرقمية الأكثر تقدمًا في ذلك الوقت.

لكن لحلها فيزياء الكم المشاكل ، يجب أن تشتمل الأجهزة على مكونات كمومية. تتضمن بنية جهاز محاكاة الكم الجديد الدوائر الإلكترونية بمكونات نانوية تخضع خصائصها لقوانين ميكانيكا الكم. من المهم ملاحظة أنه يمكن صنع العديد من هذه المكونات ، يتصرف كل منها بشكل أساسي مع المكونات الأخرى.

هذا أمر بالغ الأهمية للمحاكاة التناظرية للمواد الكمومية ، حيث يكون كل مكون من مكونات الدائرة الإلكترونية وكيلًا لذرة تمت محاكاتها ويتصرف مثل “ذرة اصطناعية”. تمامًا كما تتصرف الذرات المختلفة من نفس النوع في مادة ما بشكل متماثل. ، تمامًا مثل المكونات الإلكترونية المختلفة للكمبيوتر التناظري.

لذلك يوفر التصميم الجديد مسارًا فريدًا لتوسيع نطاق التكنولوجيا من الوحدات الفردية إلى المصفوفات 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 الحوسبة الكمومية التناظرية باستخدام منصة Quantum Simulator الجديدة الخاصة بهم ، درس الباحثون أولاً دائرة بسيطة تتكون من مكونين كميين مقترنين ببعضهما البعض.

يحاكي الجهاز نموذجًا من ذرتين مقترنة ببعضهما البعض بواسطة تفاعل كمي معين. من خلال تعديل الفولتية الكهربائية ، تمكن الباحثون من إنتاج حالة جديدة من المادة حيث يبدو أن الإلكترونات لديها ثلث شحنتها الكهربائية المعتادة ، تسمى “Z3 parafermions”. تم اقتراح هذه الحالات المراوغة كأساس للحوسبة الكمومية الطوبولوجية المستقبلية ، ولكن لم يتم إنشاؤها من قبل في المختبر في جهاز إلكتروني.

قال الدكتور ميتشل: “من خلال رفع مستوى المحاكي الكمومي من عنصرين إلى أكثر من مكونات النانو ، نأمل أن نتمكن من تصميم أنظمة أكثر تعقيدًا بكثير مما تستطيع أجهزة الكمبيوتر الحالية التعامل معه”. “قد تكون هذه هي الخطوة الأولى لكشف أخيرًا بعض أكثر الألغاز المحيرة في عالمنا الكمومي.”