تم حل مشكلة محاكاة ديناميكيات الكم على جهاز كمبيوتر محمول عادي

لقد نجح الفيزيائيون الأميركيون، الذين صدمتهم المزاعم الصاخبة عن التفوق الكمي، في تطوير خوارزمية لمحاكاة ديناميكيات الكم على أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية. لقد اتضح أنها فعالة جدًا لدرجة أنها عملت على جهاز كمبيوتر محمول عادي.

ويرد وصف النهج الحسابي في المجلة علوم. فهو يتيح لك استخراج المزيد من الطاقة من الآلات الكلاسيكية، وفتح فرص جديدة لدراسة ديناميكيات الكم، وبالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يصبح بروتوكولًا لحل المشكلات حيث تحتاج إلى العثور على الخيار الأمثل من بين العديد من الخيارات.

في مارس 2025، نشرت نفس المجلة مقالًا حول حساب ديناميكيات نظام معقد بشكل خاص من الكيوبتات على جهاز كمبيوتر كمي. وقال المؤلفون إنه من المستحيل من حيث المبدأ تنفيذ ذلك على جهاز كمبيوتر عادي.

“(في كلية المجتمع في قطر) نحن دائمًا متشككون في مثل هذه الادعاءات. “في كل مرة تريد أن تسأل،” هل جربت هذا؟ ” هل جربت ذلك؟” يقول المؤلف الأول للدراسة جوزيف تيندال من مركز فيزياء الكم الحاسوبية التابع لمعهد فلاتيرون (CCQ).

أصبحت هذه المهمة بمثابة “اختبار طريق” لأدواتنا، كما يضيف المؤلف المشارك مايلز ستودينماير. “كان بإمكاننا اختيار شيء أكثر تجريدًا. ولكن لماذا لا نأخذ ذلك الذي يأتي مع مثل هذا البيان الصاخب؟ – هو السبب.

المشكلة الرئيسية هي التشابك الكمي. ولهذا السبب، لا يمكن النظر إلى الكيوبتات بشكل فردي، حتى لو كانت متباعدة – وهذا ما يفسر تعقيد الخوارزميات، يوضح تيندال: “عندما يكون لدينا العديد من الجسيمات التي تخضع لفيزياء الكم، تنشأ دالة موجية تصف حالة النظام. هذا جسم ضخم ينمو بسرعة مع زيادة عدد الجسيمات”.

“أرشيفي” للدالة الموجية

إن حجم الدالة الموجية يتزايد بشكل كبير، ووفقًا لتيندال، “لم يعد بإمكانك تخزينها مباشرة على الكمبيوتر بعد الآن”. يعد التعامل مع مثل هذه الدوال الموجية العملاقة مشكلة نموذجية في فيزياء الكم، وهي ضرورية، على سبيل المثال، للتنبؤ بخصائص المواد الكمومية مثل الموصلات الفائقة.

تعتمد الخوارزمية على شبكات الموتر. ويقارنها الباحث بـ “أرشيف مضغوط للدالة الموجية – حيث يأخذ جميع المعلومات ويضغطها في بنية رياضية مليئة بجداول صغيرة من الأرقام المرتبطة ببعضها البعض”.

لقد كانت الشبكات الموترية هي التي جعلت المهمة ممكنة لأجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية. أجرى تيندال العديد من الحسابات الأولية على جهاز الكمبيوتر المحمول الخاص به. بالنسبة للديناميكيات ثلاثية الأبعاد، تم استخدام شبكة موتر ثلاثية الأبعاد، ولم يعد الكمبيوتر المحمول، بالطبع، قادرًا على القيام بمثل هذه المهمة – فقد تم تشغيله على مجموعة وحدة المعالجة المركزية.

يؤكد تيندال: “هذا ضغط قوي للغاية ويمكن أن يكون فعالاً للغاية، لكن البنية نفسها معقدة للغاية من الناحية الرياضية. نحن هنا حقًا في الطليعة، لأن العمل مع مثل هذه الكائنات، خاصة في الأبعاد الثلاثة، يكاد يكون منطقة مجهولة. هناك حاجة إلى أكواد وخوارزميات أكثر تعقيدًا؛ وهذا يمثل تحديًا لهندسة البرمجيات في حد ذاته”.

على الرغم من الأجهزة المتواضعة، أنتجت المحاكاة نتائج ذات دقة مقبولة – تزامنت مع كل من التنبؤات النظرية والبيانات التي تم الحصول عليها على جهاز كمبيوتر كمي.

ما هي الخطوة التالية

على الرغم من أن هذا العمل يبدو وكأنه جولة أخرى من المنافسة التي يحاول فيها أنصار الحوسبة الكلاسيكية والكمية إثبات مزاياهم، إلا أن المؤلفين يعتقدون أن هذه الأساليب متحدة من خلال المعرفة المشتركة والإلهام المتبادل.

يقول تيندال: “ميزة هذه “المنافسة” هي التآزر الهائل بين النماذج التي تهمنا، والرموز التي نكتبها، وما يمكن تنفيذه على أجهزة الكمبيوتر الكمومية. وهذا يساعدنا، ويساعد أيضًا الباحثين في مجال الحوسبة الكمومية لأنه من الواضح أنه يمكننا نمذجة بعض الأشياء بشكل أسهل بكثير – فنحن لا نبني حاسوبًا كميًا. أنا فقط أكتب التعليمات البرمجية وأضغط على زر التشغيل على جهاز الكمبيوتر الشخصي الخاص بي”.

وستكون الخطوة التالية هي تطوير أدوات لحل المشكلات ذات الطبيعة العملية، مثل نمذجة المواد الكمومية.

“في الواقع، هذه مهام أكثر تعقيدًا بكثير – ومن الناحية الكمية على وجه التحديد. لذا فإن المعلم المهم التالي الذي يتعين علينا اتخاذه هو هذه المهام فقط،” كما اختتم ستودنماير.