نجح فيزيائيو الكم في جامعة ترينيتي، بالتعاون مع شركة آي بي إم دبلن، في محاكاة الانتشار الفائق في نظام من الجسيمات الكمومية المتفاعلة على جهاز كمبيوتر كمي. هذه هي الخطوة الأولى نحو إجراء حسابات النقل الكمي الصعبة على الأجهزة الكمومية. ومع استمرار تحسن الأجهزة، من المتوقع أن يؤدي هذا العمل إلى اكتشافات جديدة في فيزياء المواد المكثفة وعلوم المواد.
يعد هذا العمل أحد النتائج الأولى لبرنامج TCD-IBM Predoctoral Fellowship، وهو برنامج تم إنشاؤه مؤخرًا حيث تشرف IBM بشكل مشترك على طلاب الدكتوراه في Trinity بينما تقوم أيضًا بتوظيف طلاب الدكتوراه كموظفين. نُشرت الورقة مؤخرًا في مجلة Nature الشهيرة NPJ Quantum Information.
تعد شركة IBM شركة رائدة عالميًا في مجال الحوسبة الكمومية المثير. كان الكمبيوتر الكمي المبكر المستخدم في هذه الدراسة يتكون من 27 كيوبتًا فائقة التوصيل (الكيوبتات هي اللبنات الأساسية للمنطق الكمي) وكان موجودًا فعليًا في مختبر IBM في يوركتاون هايتس، نيويورك، وتمت برمجته عن بعد في دبلن.
تعد الحوسبة الكمومية واحدة من أكثر التقنيات إثارةً، ومن المتوقع أن تقترب أكثر من التطبيقات التجارية خلال العقد المقبل. وبعيدًا عن التطبيقات التجارية، يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية أن تساعد في حل بعض المشكلات الأساسية الرائعة. قام فريق من جامعة ترينيتي في دبلن وشركة IBM بحل مثل هذه المشكلة المتعلقة بالمحاكاة الكمومية.
وقال البروفيسور جون جولد، مدير تحالف ترينيتي الكمي المنشأ حديثًا وقائد هذا البحث، عند شرح أهمية هذا العمل والفكرة الشاملة للمحاكاة الكمومية
"بشكل عام، تعد محاكاة ديناميكيات الأنظمة الكمومية المعقدة التي تتكون من العديد من المكونات المتفاعلة تحديًا صعبًا لأجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية. خذ بعين الاعتبار الـ 27 كيوبت الموجودة على هذا الجهاز بالذات. في ميكانيكا الكم، يتم تحديد حالة مثل هذا النظام من خلال وظيفة تسمى دالة موجية. يتم وصف الكائن رياضيًا. ولوصف هذا الكائن باستخدام جهاز كمبيوتر قياسي يتطلب تخزين عدد كبير من المعاملات في الذاكرة، وتزداد الحاجة إلى هذه المعاملات بشكل كبير مع عدد "الكيوبتات؛ في حالة المحاكاة هذه، هناك حاجة إلى ما يقرب من 134 مليون معامل."
"عندما تنمو الأنظمة إلى 300 بت، فإن المعاملات المطلوبة لوصف مثل هذا النظام تتجاوز عدد الذرات في الكون المرئي، ولا يمكن لأي كمبيوتر كلاسيكي التقاط حالة النظام بدقة. وبعبارة أخرى، فإننا نصطدم بجدار عند محاكاة الأنظمة الكمومية. محاكاة ديناميكيات الكم باستخدام الأنظمة الكمومية يمكن إرجاع فكرة التعلم إلى الأمريكي ريتشارد فاينمان الحائز على جائزة نوبل، والذي اقترح أنه من الأفضل محاكاة الأنظمة الكمومية باستخدام الأنظمة الكمومية السبب بسيط - من الطبيعي أن تستفيد من حقيقة أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية موصوفة بوظائف موجية، وبالتالي تتحايل على الموارد الكلاسيكية الأسية اللازمة لتخزين الحالات.
إذًا ما الذي قام فريق البحث بمحاكاةه بالضبط؟ وتابع البروفيسور جولد:
"بعض أبسط الأنظمة الكمومية غير ثلاثية الأبعاد هي سلاسل السبين. ترتبط هذه الأنظمة بواسطة مغناطيسات صغيرة تسمى السبينات، لمحاكاة المواد الأكثر تعقيدًا، وتستخدم لفهم المغناطيسية. نحن مهتمون بنموذج يسمى سلسلة هايزنبرغ، ومهتمون بشكل خاص بالسلوك طويل الأمد لكيفية نقل إثارة السبين في جميع أنحاء النظام. في هذا الحبس طويل الأمد، تدخل الأنظمة الكمومية متعددة الأجسام في النظام الهيدروديناميكي، مع النقل الموصوف بواسطة المعادلات التي تصف السوائل الكلاسيكية."
"نحن مهتمون بآلية خاصة تحدث فيها ظاهرة تسمى الانتشار الفائق لأن الفيزياء الأساسية تحكمها معادلة كاردار-باريسي-زانج. تصف هذه المعادلة عادة النمو العشوائي لسطح أو واجهة، مثل كيفية نمو ارتفاع الثلج في عاصفة ثلجية، أو كيف تنمو البقعة على فنجان قهوة بمرور الوقت، أو كيف تنمو نار الزغب. ويسمى هذا الانتشار النقل فائق الانتشار. ومن المثير للدهشة أن المعادلات التي تحكم هذه الظواهر تظهر أيضًا في ديناميكا الكم، وهو الإنجاز الرئيسي لهذا العمل."
ناثان كينان، عالم ما قبل الدكتوراه في IBM-Trinity، هو مبرمج في المشروع. أخبرنا عن بعض التحديات التي تواجه برمجة الكمبيوتر الكمي.
وقال: "إن أكبر مشكلة في برمجة الحواسيب الكمومية هي إجراء حسابات مفيدة في وجود الضوضاء. فالعمليات التي يتم إجراؤها على مستوى الشريحة ليست مثالية، وأجهزة الكمبيوتر حساسة للغاية للتداخل من بيئة المختبر. لذلك، من المستحسن دائمًا تقليل وقت تشغيل برنامج مفيد، لأن هذا سيختصر الوقت قبل أن تحدث هذه الأخطاء والتداخلات وتؤثر على النتائج".
وقال خوان بيرنابي مورينو، مدير أبحاث آي بي إم في المملكة المتحدة وأيرلندا:
"تمتلك شركة IBM تاريخًا طويلًا في تطوير تكنولوجيا الحوسبة الكمومية، حيث لم تقدم فقط عقودًا من الأبحاث ولكن أيضًا أكبر وأوسع البرامج الكمومية التجارية والنظام البيئي. إن تعاوننا مع كلية ترينيتي في دبلن من خلال برامج الماجستير والدكتوراه في العلوم والتكنولوجيا الكمومية يجسد ذلك، ويسعدني أن هذا التعاون قد حقق بالفعل نتائج واعدة."
مع دخول العالم حقبة جديدة من عمليات المحاكاة الكمومية، من المطمئن معرفة أن علماء فيزياء الكم في كلية ترينيتي في دبلن هم في الطليعة - حيث يقومون ببرمجة أجهزة المستقبل. تعد المحاكاة الكمومية ركيزة بحثية أساسية في تحالف Trinity Quantum Alliance الذي تم تشكيله حديثًا، والذي أسسه ويقوده البروفيسور جون جولد، والذي يضم خمسة شركاء صناعيين مؤسسين، بما في ذلك IBM وMicrosoft وAlgorithmiq وHorizon وMoodys Analytics.