شبیه سازی کوانتومی، پایدارتر از آنچه انتظار می‌رفت

توضیح تصویر: شبیه سازی کوانتومی دیجیتال ذاتاً بسیار قوی تر از آن چیزی است که یک نفر ممکن است از قیدهای شناخته شده‌ی خطا روی تابع موج چند بدنه ای جهانی انتظار داشته باشد. اعتبار: IQOQI اینسبروک / هارالد ریچ
   

پدیده محلی سازی، دقت و صحت حل مسائل چند بدنه‌ای را با کامپیوترهای کوانتومی افزایش می دهد که در غیر این صورت حل آنها با رایانه های رایج به چالش کشیده می شد. این امر چنین شبیه سازی های کوانتومی دیجیتالی را از طریق دسترسی به ماشین های کوانتومی که امروزه در دسترس است به ارمغان می‌آورد.
 
کامپیوترهای کوانتومی نوید این را داده اند که مشکلات محاسباتی خاص را سریعتر از هر دستگاه کلاسیکی حل کنند. مارکوس هیل از مؤسسه فیزیک مجتمع ماکس پلانک در درسدن آلمان می گوید: "یک کاربرد به ویژه نوید بخش، حل مسائل چندین بدنه ای کوانتومی با به کار گیری مفهوم شبیه سازی کوانتومی دیجیتالی است." "چنین شبیه سازی هایی می توانند تأثیر زیادی بر شیمی کوانتومی، علوم مواد و فیزیک بنیادی داشته باشند." در طی شبیه سازی کوانتومی دیجیتالی، تکامل زمانی سیستم چندین بدنه ای کوانتومی هدف گیری شده با دنباله ای از دروازه های کوانتومی ابتدایی با گسسته سازی تکامل زمانی، به نام یورتمه سازی انجام می شود. با این حال، یک چالش اساسی، کنترل یک منبع خطای ذاتی است که به دلیل این اختلالات ظاهر می شود." مارکوس هیل همراه با پیتر زولر از گروه فیزیک تجربی در دانشگاه اینسبروک و مؤسسه اپتیک کوانتومی و ارتباطات کوانتومی در آکادمی علوم اتریش و فیلیپ هوک از موسسه فیزیک Kirchhoff و موسسه فیزیک نظری دانشگاه هیدلبرگ در یک مقاله اخیراً منتشر شده نشان داده اند که محلی سازی کوانتومی، با محدود کردن تکامل زمانی از طریق دخالت کوانتومی، این خطاها را برای مشاهدات محلی محصور می کند. کامپیوترهای کوانتومی نوید این را داده اند که مشکلات محاسباتی خاص را سریعتر از هر دستگاه کلاسیکی حل کنند.

هیل خلاصه می کند: "شبیه سازی کوانتومی دیجیتالی به طور ذاتی بسیار محکم تر است از آنچه که ممکن است از کران های خطای شناخته شده روی تابع موج چندین بدنه ای جهانی انتظار رود." این استحکام با آستانه تیزی به عنوان یک تابع دانه دانه ای زمانیِ به کار گرفته شده و اندازه گیری شده توسط به اصطلاح اندازه گام یورتمه ران مشخص می شود. این آستانه یک منطقه منظم  را با خطاهای قابل کنترل یورتمه ران، جایی که سیستم، محلی سازی را در فضای ویژه حالت های عملگرِ تکامل زمانی به نمایش می گذارد، از یک رژیم آشوب کوانتومی که خطاهای آن به سرعت مجتمع و منجر به ارائه ناپایدار نتیجه شبیه سازی کوانتومی می شود، جدا می کند. مارکوس Heyl می گوید: "یافته های ما نشان می دهد که شبیه سازی کوانتومی دیجیتالی با مراحل نسبتا بزرگ یورتمه ران می تواند خطاهای یورتمه ران کنترل شده برای مشاهدات محلی را حفظ کند." بنابراین ممکن است تعداد عملیات دروازه کوانتومی مورد نیاز برای نشان دادن تکامل مطلوب زمانی را با احتیاط کاهش دهد، که در نتیجه کاهش اثرات عملیات دروازه ای نامناسب را به دنبال دارد." این امر شبیه سازی کوانتومی دیجیتالی را برای چالش کلاسیکی مسائل چندین بدنه ای کوانتومی در دسترس برای دستگاه های جاری کوانتومی روز به ارمغان می آورد. چنین شبیه سازی هایی می توانند تأثیر زیادی بر شیمی کوانتومی، علوم مواد و فیزیک بنیادی داشته باشند.

کامپیوترهای کوانتومی نوید داده اند که آینده محاسبات را متحول کنند. دانشمندان در حال حاضر برای اولین بار نشان داده اند که رایانه های کوانتومی واقعاً در برابر رایانه های معمولی مزایایی دارند. آنها یک مدار کوانتومی را توسعه دادند که می تواند مسأله ای را حل کند که با استفاده از یک مدار کلاسیک معادل آن قابل حل نیست.
     

 

توضیح تصویر: طرح کلی چهار دستگاه کوانتومی ابررسانای IBM.
اعتبار: تحقیقات آی بی ام

 
رایانه های کوانتومی برای سال های زیادی چیزی خیلی بیشتر از یک ایده نبودند. امروزه شرکت ها، دولت ها و سازمان های اطلاعاتی در زمینه توسعه تکنولوژی کوانتومی سرمایه گذاری می کنند. رابرت کندیگ، استاد تئوری سیستم های کوانتومی پیچیده در TUM، در همکاری با دیوید گسست از موسسه محاسبات کوانتومی در دانشگاه واترلو و سرگی براویی از IBM، در حال حاضر سنگ بنایی امیدوار کننده در این زمینه قرار داده است.
 

رایانه های متعارف با قوانین فیزیک کلاسیک مطابقت دارند. آنها بر اعداد دودویی 0 و 1 متکی هستند. این اعداد برای عملیات ریاضی ذخیره می شوند و مورد استفاده قرار می گیرند. در واحد حافظه متعارف، هر بیت - کوچکترین واحد اطلاعات - با یک نقطه میکروسکوپی بر روی یک میکروچیپ نشان داده می شود. هر یک از این نقاط می تواند یک شارژ را نگه دارد که تعیین می کند که آیا بیت با 1 یا 0 تنظیم شده است. 
یک مدار کوانتومی را توسعه دادند که می تواند مسأله ای را حل کند که با استفاده از یک مدار کلاسیک معادل آن قابل حل نیست.با این حال، در یک کامپیوتر کوانتومی، یک بیت می تواند به طور همزمان 0 و 1 باشد. این به این دلیل است که قوانین فیزیک کوانتومی اجازه می دهد که الکترونها در یک زمان در چندین مکان قرار داشته باشند. لذا بیت‌های کوانتومی یا کیو بیت ها در چندین حالت همپوشانی وجود دارند. این به اصطلاح بر هم نهی اجازه می دهد که کامپیوتر های کوانتومی به انجام عملیاتی روی مقادیر متعدد در یک سقوط سریع نزولی بپردازند در حالی که یک کامپیوتر مرسوم منفرد باید این عملیات را به دنبال هم اجرا کند. نوید محاسبات کوانتومی، در توانایی حل مسائل خاص با سرعتی که به طور قابل توجهی بیشتر است نهفته است. 
 
König و همکارانش در حال حاضر به طور قطعی مزیت رایانه های کوانتومی را نشان می دهند. برای این منظور، آنها یک مدار کوانتومی را ایجاد کردند که می تواند یک مسأله خاص جبری را حل کند. مدار جدید یک ساختار ساده دارد: تنها تعداد ثابتی عملیات را بر روی هر کیو بیت اجرا می کند. به چنین مداری اینگونه ارجاع داده می شود که دارای یک عمق ثابت است. محققان در کار خود ثابت می کنند که مسأله مورد بحث نمی تواند با استفاده از مدارات عمق ثابت کلاسیکی حل شود. علاوه بر این آنها به این پرسش پاسخ می دهند که چرا الگوریتم کوانتومی هر مدار کلاسیکِ قابل مقایسه را شکست می دهد: الگوریتم کوانتومی از نامکان یابی فیزیک کوانتومی بهره می گیرد.
 
منبع: سایت Science Daily