المشكلة التي كان يُعتقد أن الكمبيوتر الكمي وحده هو الذي يمكنه حلها، تم حلها باستخدام كمبيوتر تقليدي.

مع تقدم أجهزة الكمبيوتر الكمومية، أصبح من المهم بشكل متزايد العثور على المشكلات التي يمكنها حلها بشكل أسرع من أفضل أجهزة الكمبيوتر العملاقة الكلاسيكية. واحد منهم هو حساب آلية تشغيل العامل المساعد FeMo. الآن اتضح أن الحوسبة الكمومية قد لا تكون ضرورية على الإطلاق.

العامل المساعد FeMo (FeMoco) هو الجزيء الذي بدونه ستكون الحياة على الأرض مستحيلة. وتشارك في عملية تثبيت النيتروجين، عندما تقوم الكائنات الحية الدقيقة بتحويل النيتروجين الجوي إلى الأمونيا، مما يجعلها متاحة بيولوجيا. الآلية الدقيقة لـ FeMoco في هذا التفاعل معقدة وغير مفهومة بالكامل. وإذا أمكن اكتشافه وإعادة إنتاجه على نطاق صناعي، فقد يؤدي ذلك إلى تقليل تكاليف الطاقة اللازمة لإنتاج الأسمدة بشكل كبير وربما زيادة غلات المحاصيل.

كيمياء الكم والحياة

أحد الجوانب الرئيسية لفهم FeMoco هو تحديد الحد الأدنى من الطاقة أو “الطاقة الأساسية”، الأمر الذي يتطلب مراعاة سلوك إلكتروناتها. هذه هي كيمياء الكم في أنقى صورها: عليك أن تفهم أين وما هي المواضع التي تشغلها الجسيمات في كل لحظة من الزمن. هذا التعقيد – وجود عدد كبير من الإلكترونات في العديد من المدارات – جعل حتى الآن حساب خصائص FeMoco مهمة شاقة لأجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية.

وقد تم تحقيق بعض النجاح باستخدام أساليب تقريبية، ولكن دقة تقديرات الطاقة لا تزال محدودة. وفي الوقت نفسه، أثبتت الحسابات الرياضية بوضوح أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية، التي تشفر هذا التعقيد بطريقة مختلفة جذريًا، يمكنها حل المشكلة دون تقديرات تقريبية – وهو مثال كلاسيكي لما يسمى بـ التفوق الكمي.

لقد وجد الكيميائيون وعلماء الرياضيات طريقة حسابية كلاسيكية يبدو أنها قادرة على تحقيق نفس الدقة التي تحققها الطريقة الكمومية. كان المبدأ التوجيهي الرئيسي هو مفهوم “الدقة الكيميائية” – الحد الأدنى من الدقة المطلوبة لمحاكاة العمليات الكيميائية بشكل واقعي. من تلك المنشورة على arXiv تشير الحسابات إلى أن أجهزة الكمبيوتر العملاقة الكلاسيكية يمكنها حساب الطاقة الأساسية لـ FeMoco بهذه الدقة.

لدى FeMoco العديد من الحالات الكمومية، لكل منها طاقتها الخاصة، مرتبة مثل السلم، حيث تحتل الحالة الأرضية الخطوة السفلية. لتسهيل العثور على هذا المستوى الأدنى للخوارزميات الكلاسيكية، ركز الباحثون على الخصائص المعروفة للحالات في الخطوات المجاورة وما يمكنهم قوله عن الحالات في خطوة أو خطوتين أدناه. على سبيل المثال، أخذنا في الاعتبار سمات التناظر للحالات الكمومية للإلكترونات.

في نهاية المطاف، سمح هذا التبسيط للباحثين باستخدام الخوارزميات الكلاسيكية لحساب الحدود العليا للطاقة الأساسية لـ FeMoco، ومن ثم استقراءها رياضيًا إلى قيمة طاقة مع خطأ مقبول. بمعنى آخر، الإجابة النهائية حول الحد الأدنى من الطاقة الممكنة للجزيء دقيقة بما يكفي للاستخدام العملي.

يدعي المؤلفون أن تشغيل الخوارزمية الخاصة بهم على الكمبيوتر العملاق يمكن أن يكون أسرع حتى من تشغيله على الكمبيوتر الكمي: فالحسابات التي قد تستغرق جهازًا كميًا ثماني ساعات تكتمل في أقل من دقيقة – على الرغم من أن هذا تقدير نظري يفترض التشغيل المثالي للكمبيوتر العملاق.

اختراق؟

فهل يعني ذلك تحقيق تقدم وشيك في الزراعة؟ ليس بعد. لا تزال هناك العديد من الأسئلة التي لم يتم حلها، مثل أي أجزاء الجزيء تتفاعل بقوة مع النيتروجين أو أي الجزيئات تتشكل كوسيط في عملية تثبيت النيتروجين.

قال ديفيد ريشمان من جامعة كولومبيا في نيويورك: “هذا العمل لا يقدم لنا الكثير في فهم وظيفة FeMoco. ولكن كنموذج لإثبات التفوق الكمي، فإنه يضع حاجزًا أعلى للنهج الكمي”.

وأضاف دومينيك بيري من جامعة ماكواري في أستراليا أن العمل أثبت أن أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية يمكنها التعامل مع مشكلة FeMoco، لكن النتائج لا تزال تقريبية، وتوفر أجهزة الكمبيوتر الكمومية إجابات دقيقة.

وقال: “هذا بالتأكيد يدعو إلى التشكيك في حجة استخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية لمثل هذه المشاكل. ولكن مع زيادة تعقيد الأنظمة، فمن المتوقع أن يزداد وقت الحساب للطرق الكلاسيكية بشكل أسرع بكثير من الخوارزميات الكمومية”.

لا ينبغي لنا أن ننسى أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية لا تزال بعيدة عن الكمال بما يكفي لتولي مهام بهذا التعقيد، ومن المتوقع أن يظهر جيل جديد من أجهزة الكمبيوتر الكمومية المتسامحة مع الأخطاء والقادرة على تصحيح أخطائها بشكل مستقل في أقرب وقت ممكن. من الناحية العملية، قد تكون هذه أفضل طريقة لفهم FeMoco والجزيئات ذات الصلة، كما اعترف بيري. وخلص إلى القول: “يجب أن تتيح الحوسبة الكمومية حل المشكلات لمثل هذه الأنظمة بشكل أكثر عالمية، مما يجعلها عملية حسابية روتينية بمجرد توفر أجهزة الكمبيوتر الكمومية المتسامحة مع الأخطاء”.