تم التحقق من المحاكاة الكمومية عن طريق التجارب لأول مرة

الأمل لأجهزة الكمبيوتر الكمومية هو أن تكون الأجهزة قادرة على حل المهام المعقدة مثل التنبؤ بكيفية تفاعل المواد الكيميائية أو فك النص المشفر. أحد الأسباب الرئيسية التي تجعل الآلات لا ترقى إلى مستوى هذه الإمكانات حتى الآن هو حقيقة أنها معدلات الخطأ مرتفعة.

الآن، ولأول مرة، قام الفيزيائيون بمطابقة عمليات المحاكاة التفصيلية التي تم إجراؤها على أجهزة الكمبيوتر الكمومية مع البيانات التجريبية التي تم جمعها من العمل مع المواد الصلبة. يوضح البحث كيف يمكن اختبار نتائج عمليات المحاكاة الكمومية باستخدام بيانات العالم الحقيقي، وهي القدرة التي ستزداد أهميتها عندما تبدأ هذه الآلات في إجراء حسابات تتجاوز تلك التي يمكن لأجهزة الكمبيوتر العملاقة العادية إدارتها. حقق فريقان النتائج بشكل مستقل، وتم وصف العمل في نسختين مبدئيتين تم نشرهما على خادم arXiv في الأسبوعين الماضيين. هذه لم تتم مراجعتها بعد من قبل النظراء.

الكمبيوتر الكمي لشركة IBM يتجاوز مرحلة الحساب

يقول ألكسندر دوفين، الفيزيائي في شركة ناشئة للحوسبة الكمومية تدعى باسكال في باريس والمؤلف الرئيسي لإحدى الدراسات، إن الهدف الواضح من هذه التجارب هو “مقارنة البيانات مع ما نقيسه في الكمبيوتر الكمي”.¹.

أرناب بانيرجي، عالم الفيزياء بجامعة بوردو في ويست لافاييت بولاية إنديانا، والذي قاد الدراسة الثانية²يقول إن عمليات الفحص المتقاطع، أو المعايير، باستخدام مواد حقيقية يمكن تحليلها على نطاق واسع في المختبر أمر بالغ الأهمية “حتى تعرف أن ما تقوم بمحاكاته منطقي حقًا”.

التناظرية مقابل الرقمية

محاكاة الظواهر الكمومية الطبيعية – مثل تلك التي تكمن وراء قدرة بعض المواد على توصيل الكهرباء دون أي مقاومة – تم وصفها منذ فترة طويلة بأنها واحدة من التطبيقات الرئيسية المحتملة لأجهزة الكمبيوتر الكمومية. ويأمل الباحثون أن استخدام أجهزة الكمبيوتر كمختبرات افتراضية سيمكنهم من فهم مثل هذه الظواهر، وسيوجه إنشاء مواد وتقنيات الجيل التالي. المواد الكيميائية، بما في ذلك المخدرات.

قام دوفين ومعاونوه بمحاكاة مادة مغناطيسية تحتوي على عنصر الثوليوم النادر. تحتوي المادة على بنية بلورية لا تستطيع فيها الذرات محاذاة اتجاهاتها المغناطيسية بطريقة منظمة، وكان من المتوقع أن تحتوي على أنماط معقدة من التفاعلات الكمية. لتقليد فيزياء هذه البلورة، استخدم الباحثون أحد أجهزة الكمبيوتر الكمومية “ذات الذرة المحايدة” الخاصة بباسكال، والتي تشفر المعلومات في الحالات الكمومية للذرات الفردية المحفوظة بضوء الليزر في “ملقط بصري”. باستخدام نهج يسمى المحاكاة الكمومية التناظرية، قام حاسوب باسكال الكمي بحساب خصائص مثل السعة الحرارية للمادة – مقدار الطاقة اللازمة لزيادة درجة حرارة جرام واحد بمقدار 1 درجة مئوية – وكيفية استجابتها للمجالات المغناطيسية المتغيرة.

يقول دانييل جونزاليس كوادرا، عالم الفيزياء النظرية في معهد الفيزياء النظرية في مدريد، إن مقارنة النموذج مع القياسات التجريبية للمواد الفعلية “يمهد الطريق لمعيار جديد في تطبيق المحاكاة الكمومية على علم المواد”.

قام فريق بانيرجي بمحاكاة مادة مختلفة، مصنوعة من النحاس والفلور والبوتاسيوم، والتي تحتوي أيضًا على ذرات غير متحاذية مغناطيسيًا. مثل المادة التي قام فريق دوفين بمحاكاتها، كان من المتوقع أن تحتوي على أنماط معقدة من التفاعلات الكمية.

نفذ الفريق مخططًا يسمى المحاكاة الكمية الرقمية على كمبيوتر كمي من شركة IBM يقوم بتخزين المعلومات داخل حلقات معدنية فائقة التوصيل بدلاً من الذرات الفردية. قام الباحثون بمحاكاة استجابة المادة للإثارة في مجموعة من حالات الطاقة، بالإضافة إلى ظهور الإلكترونات “الكسرية” – حيث تتصرف إلكترونات المادة بشكل جماعي كما لو أنها تمتلك جزءًا فقط من مغناطيسيتها المنتظمة (وهو أمر مستحيل بالنسبة لجسيم واحد).

يقول دوفين وبانيرجي إن كل محاكاة لها نقاط قوة مختلفة. قارن كلا الفريقين توقعاتهما ببيانات من تجارب تشتت النيوترونات، والتي تكشف عن السمات الخفية للمادة من خلال تحليل كيفية تشتت النيوترونات عنها وكيفية تغير طاقتها.