علماء الفيزياء يحلون مشكلة “الكم فقط” باستخدام جهاز كمبيوتر محمول عادي

من خلال تطبيق خوارزمية تعود إلى الثمانينيات على الهياكل الرياضية المعروفة باسم الشبكات الموترية، أظهر باحثو معهد فلاتيرون أن أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية يمكنها حل فئة من المشكلات التي كان يُزعم في السابق أنها تتطلب أجهزة كمبيوتر كمومية.

لقد تم الآن حل المشكلة التي تم وصفها على أنها تتطلب جهاز كمبيوتر كميًا على جهاز كمبيوتر محمول.

باستخدام تقنيات رياضية متقدمة وبرامج متطورة، أظهر الفيزيائيون في مركز فيزياء الكم الحاسوبية (CCQ) في معهد فلاتيرون التابع لمؤسسة سيمونز والمتعاونون في جامعة بوسطن أن الكمبيوتر التقليدي يمكنه بنجاح محاكاة نظام كمي صعب السمعة كان يُزعم سابقًا أنه بعيد عن متناول الحوسبة الكلاسيكية.

يوضح اختراقهم أن الخوارزميات الذكية يمكنها توسيع قدرات أجهزة الكمبيوتر التقليدية بشكل كبير، وفتح آفاق جديدة لدراسة ديناميكيات الكم وربما تقديم نهج جديد قوي لحل مشاكل التحسين المعقدة. الباحثون تقرير النتائج التي توصلوا إليها في علوم.

لماذا تطغى الكيوبتات على أجهزة الكمبيوتر

تضمن التحدي محاكاة نظام كمي يتكون من مئات من “البتات الكمومية” المتفاعلة الحوسبة الكمومية نظير البتات المستخدمة في أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية، والمرتبة في شبكات مربعة أو مكعبة أو ماسية. يمكن أن تكون البتات الكلاسيكية إما 0 أو 1، بينما يمكن أن توجد البتات الكمومية في تراكبات متعددة القيم. هذه الميزة تجعل سلوكهم صعبًا بشكل خاص على أجهزة الكمبيوتر التقليدية.

في مقال نشر في مارس 2025، نشرت أيضا في علوم، أفادت مجموعة من الباحثين في مجال الحوسبة الكمومية أنهم قاموا بحساب سلوك نظام كيوبت معقد بشكل خاص باستخدام جهاز كمبيوتر كمي. وجادلوا أيضًا بأن الكمبيوتر الكلاسيكي لا يمكنه إعادة إنتاج النتيجة.

يقول جوزيف تيندال، عالم أبحاث مشارك في كلية المجتمع في قطر، والمؤلف الأول لورقة العلوم الجديدة: “كلما رأينا (في كلية المجتمع في قطر) هذا النوع من الادعاءات، نكون دائمًا متشككين بعض الشيء”. “مثل، “هل جربت هذا؟ هل جربت ذلك؟”

بالنسبة للباحثين في كلية المجتمع في قطر، قدم هذا الادعاء طريقة واضحة لاختبار أساليبهم الخاصة. وكانت المشكلة بمثابة فرصة لأخذ أدواتهم “لاختبار القيادة”، كما يقول المؤلف المشارك في الدراسة وعالم الأبحاث في كلية المجتمع في قطر مايلز ستودنماير. يقول ستودنماير: “كان بإمكاننا اختيار هدف أكثر تعسفًا”. “ولكن كان الأمر مثل “لماذا لا نختار هذا المنتج الذي يرتبط به مطالبة كبيرة؟””

هناك صعوبة كبيرة تأتي من التشابك الكمي، الذي يمنع التعامل مع الكيوبتات ككائنات منفصلة، ​​حتى عندما تكون متباعدة. يقول تيندال إن التعامل مع هذا النوع من التشابك يتطلب خوارزميات متقدمة.

يقول تيندال: “عندما يكون لديك الكثير من الجسيمات التي تتفاعل مع فيزياء الكم، فإن لديك هذه الدالة الموجية التي تصف حالة النظام”. “إنه هذا الجسم الضخم الذي يكبر بسرعة أكبر فأكبر كلما زاد عدد الجزيئات الموجودة فيه.”

ولأن الدالة الموجية تنمو بشكل كبير، يقول: “لا أستطيع تخزينها مباشرة على جهاز الكمبيوتر الخاص بي”. وهذه عقبة مألوفة في فيزياء الكم، لكن التعامل مع مثل هذه الدوال الموجية ضروري للتنبؤ بسلوك المواد الكمومية، بما في ذلك الموصلات الفائقة.

تعمل شبكات Tensor على ضغط المشكلة

جعل فريق CCQ المشكلة قابلة للإدارة من خلال إنشاء واستخدام أدوات جديدة مبنية على شبكات موتر. يقارنها تيندال بـ “ملف مضغوط للدالة الموجية حيث أخذت كل هذه المعلومات، وقمت بضغطها في بنية البيانات الرياضية هذه المليئة بهذه الجداول الصغيرة من الأرقام المترابطة مع بعضها البعض.”

وباستخدام الشبكات الموترة، أصبح الحساب ممكنًا على أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية. أجرى تيندال العديد من الحسابات الأولى على جهاز كمبيوتر محمول باستخدام ITensor، وهي مكتبة برمجيات شبكة موتر عالية الأداء تم تطويرها في كلية المجتمع في قطر. تُظهر عمليات المحاكاة الجديدة كيف يجد فريق ITensor استخدامات جديدة للتقنيات القائمة على الموتر. في هذه الحالة، التقطت عمليات المحاكاة ديناميكيات ثلاثية الأبعاد باستخدام شبكة موتر ثلاثية الأبعاد.

يقول تيندال: “إن هذا الضغط القوي للغاية يمكن أن يكون فعالاً للغاية، لكنه كائن رياضي معقد جدًا”. “هذا حقًا نوع من الحدود، لأن العمل مع هذه الكائنات – خاصة في الأبعاد الثلاثة – أمر غير معتاد للغاية. أنت بحاجة إلى رموز وخوارزميات معقدة للتعامل معها؛ إنه تحدي هندسة البرمجيات في حد ذاته.”

تجد الخوارزميات القديمة مدى وصولًا جديدًا

أكمل الفريق العديد من عمليات المحاكاة باستخدام موارد حاسوبية متواضعة نسبيًا. بالنسبة للحسابات المبكرة، استخدم تيندال نشر المعتقدات، وهي خوارزمية من الثمانينيات تم تكييفها مؤخرًا للأنظمة الكمومية. يقول ستودنماير: “إنها أكثر تقريبية قليلًا من بعض الطرق الأخرى، ولكنها أرخص كثيرًا، ويمكننا تشغيلها بشكل مباشر أكثر بكثير على الكثير من المشكلات الأصعب”. وهو يقارن ذلك بـ “الطرق الأكثر تطورًا في الماضي في مجالنا” التي “لن تكون قادرة حتى على البدء في حل بعض هذه المسائل ثلاثية الأبعاد، لأنها كبيرة جدًا”.

وحتى مع الأجهزة المحدودة، أظهر الباحثون أن عمليات المحاكاة الخاصة بهم وصلت إلى أحدث التقنيات دقة. تقاربت النتائج مع إجابات متوافقة مع التنبؤات النظرية وأنتجت نتائج دقيقة لمسائل اختبار أصغر. كما قاموا بمطابقة النتائج التي أبلغت عنها مجموعة الحوسبة الكمومية، دون استخدام جهاز كمبيوتر كمي.

تتلاقى الأدوات الكلاسيكية والكمية

على الرغم من أن الباحثين في مجال الحوسبة الكلاسيكية والكمية قد يبدو أنهم يتنافسون على حدود مجالاتهم، إلا أن تيندال وستودنمير يقولان إن النهجين يمكن أن يفيد كل منهما الآخر أيضًا.

يقول تيندال: “الجانب الجيد في الجدل الدائر حول الحوسبة الكلاسيكية مقابل الحوسبة الكمومية هو أن هناك الكثير من التآزر بين نوع المحاكاة التي نهتم بها والرموز التي نكتبها وما يمكن تحقيقه على أجهزة الكمبيوتر الكمومية هذه”. “يمكن أن يساعد ذلك في إرشادنا، كما يمكن أن يساعد أيضًا في توجيه الباحثين في مجال الحوسبة الكمومية، لأنه من الواضح أن حاجز الدخول بالنسبة لنا لمحاكاة أشياء معينة أسهل بكثير منه بالنسبة لهم، لأننا لسنا مضطرين إلى بناء حاسوب كمي. يمكنني فقط كتابة بعض التعليمات البرمجية والضغط على “تشغيل” على جهاز الكمبيوتر الشخصي الخاص بي.”

يقوم الباحثون الآن بتوسيع أساليبهم إلى ما هو أبعد من أنظمة الكيوبت لتشمل المشاكل المتعلقة بالإلكترونات التي يمكنها التنقل بين المواقع. وهذه مسائل أكثر صعوبة وترتبط ارتباطًا وثيقًا بمحاكاة المواد الكمومية. يقول ستودنماير: “إنها مشكلات أصعب بكثير من الناحية الكمية”. “لذلك هذا أحد القضبان الكبيرة التالية التي نريد إزالتها.”

مراجع:

“ديناميكيات الأنظمة الكمومية المضطربة مع شبكات موتر ثنائية وثلاثية الأبعاد” بقلم جوزيف تيندال وأنطونيو فرانشيسكو ميلو وماثيو فيشمان وإي مايلز ستودنماير ودريس سيلز، 21 مايو 2026، علوم.
دوى: 10.1126/science.adx2728

“ما وراء الحساب الكلاسيكي في المحاكاة الكمومية” بقلم أندرو دي كينغ، ألبرتو نوسيرا، ماريك إم رامز، جاسيك دزيارماغا، رولاند ويرسيما، ويليام بيرنودي، جاك ريموند، نيتين كوشال، نيكلاس هينسدورف، ريتشارد هاريس، كيلي بوثبي، فابيو ألتوماري، محسن أسد، أندرو ج. بيركلي، مارتن بوشناك، كيفن تشيرن، هولي كريستياني، سامانثا سيبيري، جيك كونور، مارتن إتش دهن، راهول ديشباندي، سارة إجتماي، باو فاري، كيلسي هامر، إميل هوسكينسون، شوييوان هوانغ، مارك دبليو جونسون، صامويل كورتاس، إريك لاديزينسكي، تريفور لانتينج، توني لاي، ريان لي، أليسون جيه آر ماكدونالد، جايلين مارسدن، كاثرين سي ماكجوتش، رضا مولافي، ترافيس أوه، ريتشارد نيوفيلد، مانا نوروزبور، جويل باسفولسكي، باتريك بويتراس، غابرييل بولين لامار، توماس بريسكوت، موريسيو ريس، كريس ريتش، محمد ساماني، بنيامين شيلدان، أناتولي سميرنوف، إدوارد ستيربكا، بيرتا ترولاس كلافيرا، نيكولاس تساي، مارك فولكمان، ألكسندر إم ويتيكار، جيد د. ويتاكر، وارن ويلكنسون، جيسون ياو، تي جيه يي، أندرس دبليو ساندفيك، غونزالو ألفاريز، روجر جي ميلكو، خوان كاراسكيلا، مارسيل فرانز ومحمد أمين، 12 مارس 2025، علوم.
دوى: 10.1126/science.ado6285

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.