استخدم الباحثون أجهزة الكمبيوتر الكمومية من شركة IBM لإنشاء دوائر كمومية قابلة للتطوير تحاكي المادة في ظل الظروف القاسية، مما يوفر رؤية جديدة للقوى الأساسية وأصول الكون.

تعد محاكاة كيفية تصرف المادة في ظل الظروف القاسية أمرًا ضروريًا لاستكشاف بعض أعمق الأسئلة حول الكون. يصف النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات كيفية تفاعل الجسيمات الأساسية ويقدم معادلات تساعد العلماء على تفسير هذه الظواهر الطبيعية.

ومع ذلك، عندما تصبح الأنظمة ديناميكية للغاية أو تصل إلى حالات كثيفة للغاية، يصبح حل معادلات النموذج القياسي مستحيلًا تقريبًا، حتى باستخدام أجهزة الكمبيوتر العملاقة الكلاسيكية الأكثر تقدمًا. قد تقدم الحوسبة الكمومية طريقة جديدة قوية لنمذجة هذه الأنظمة المعقدة بكفاءة أكبر بكثير.

أحد أكبر التحديات في عمليات المحاكاة الكمومية هو إعداد الحالة الأولية الصحيحة للمادة على الكيوبتات الخاصة بالكمبيوتر الكمومي. في إنجاز كبير، طور العلماء الآن دوائر كمومية قابلة للتطوير قادرة على توليد حالة البداية لاصطدام الجسيمات المماثلة لتلك التي يتم إنتاجها في معجل الجسيمات. يركز هذا العمل على التفاعلات القوية الموصوفة في النموذج القياسي، والتي تحكم سلوك الكواركات والجلونات داخل النوى الذرية.

قام الفريق أولاً بتصميم واختبار هذه الدوائر لأنظمة صغيرة الحجم باستخدام أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية. ثم استخدموا بنية الدوائر القابلة للتطوير لتوسيع النهج ليشمل أنظمة أكبر بكثير تمت محاكاتها مباشرة على جهاز كمبيوتر كمي. وباستخدام معالجات الكم من شركة IBM، نجح الباحثون في تصميم السمات الرئيسية للفيزياء النووية على أكثر من 100 كيوبت، مما يمثل خطوة مهمة نحو المحاكاة الكمومية العملية.

الطريق نحو المحاكاة الكمومية المعقدة

تمثل هذه الخوارزميات الكمومية القابلة للتطوير طريقًا واعدًا لمعالجة بعض المشكلات الأكثر تعقيدًا في الفيزياء. يمكن تطبيقها لنمذجة حالة الفراغ قبل اصطدام الجسيمات، ودراسة المادة بكثافة عالية للغاية، ومحاكاة حزم الهادرونات. ويتوقع العلماء أنه مع تطور هذه الأساليب، فإن عمليات المحاكاة الكمومية القائمة على دوائر قابلة للتطوير سوف تتفوق في نهاية المطاف على الحوسبة الكلاسيكية، مما يوفر رؤى جديدة حول الأعمال الأساسية للمادة والكون.

ستوفر عمليات المحاكاة هذه نظرة ثاقبة للآليات التي تحكم ديناميكيات الجسيمات الأساسية وكوننا. وقد تساعد في الإجابة على سبب وجود مادة أكثر من المادة المضادة، وكيف تنتج المستعرات الأعظم عناصر ثقيلة، وخصائص المادة عند الكثافات العالية للغاية. ومن المفترض أن تساعد هذه الدوائر الكمومية أيضًا في محاكاة أنظمة معقدة أخرى، بما في ذلك الأنواع الغريبة من المواد.

أجرى علماء الفيزياء النووية أكبر محاكاة كمية رقمية حتى الآن باستخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية من شركة آي بي إم. ساعدت التماثلات والتسلسلات الهرمية في مقاييس طول الأنظمة الفيزيائية في اكتشاف دوائر كمومية قابلة للتطوير لإعداد الحالات ذات الارتباطات المحلية على جهاز كمبيوتر كمي. وأظهر الباحثون فائدة هذه الخوارزمية من خلال تحضير الفراغ والهادرونات للديناميكا الكهربائية الكمومية في بعد مكاني واحد.

توسيع نطاق المحاكاة الكمومية

أجرى الفريق عمليات محاكاة باستخدام أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية للأنظمة الصغيرة لتحديد عناصر الدائرة الكمومية القابلة للتطوير، ولإثبات أن الحالات قابلة للتحسين بشكل منهجي. قام الباحثون بتوسيع نطاق الدوائر إلى أحجام نظام تزيد عن 100 كيوبت وقاموا بتنفيذ الدوائر على أجهزة الكمبيوتر الكمومية من شركة IBM. استخدم الفريق نتائج الكمبيوتر الكمي لتحديد خصائص الفراغ بمستوى النسبة المئوية دقة.

بالإضافة إلى ذلك، استخدموا دوائر قابلة للتطوير لإعداد نبضات الهادرونات، والتي تطورت بمرور الوقت لمراقبة انتشارها. توفر هذه التطورات طريقة واعدة لإجراء عمليات محاكاة ديناميكية للمادة في ظروف قاسية تتجاوز قدرات الحوسبة الكلاسيكية وحدها.

مراجع:

“دوائر قابلة للتطوير لإعداد الحالات الأرضية على أجهزة الكمبيوتر الكمومية الرقمية: نموذج شوينجر للفراغ على 100 بتة” بقلم رولاند سي. فاريل، ومارك إيلا، وأنتوني إن. سيافاريلا، ومارتن جيه. سافاج، 18 أبريل 2024، بي آر إكس الكم.
دوى: 10.1103/PRXQuantum.5.020315

“المحاكاة الكمومية لديناميات الهادرون في نموذج شوينغر باستخدام 112 كيوبت” بقلم رولاند سي. فاريل، ومارك إيلا، وأنتوني إن. سيافاريلا، ومارتن جيه. سافاج، 10 يونيو 2024، المراجعة البدنية د.
دوى: 10.1103/PhysRevD.109.114510

تم دعم هذا البحث جزئيًا من قبل مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة (DOE)، ومكتب الفيزياء النووية، وInQubator لمحاكاة الكم (IQuS) من خلال آفاق الكم: مبادرة QIS للبحث والابتكار للعلوم النووية؛ مركز علوم الكم (QSC)، وزارة الطاقة و جامعة واشنطن المركز الوطني لأبحاث علوم المعلومات الكمومية. استخدم هذا البحث موارد مرفق أوك ريدج للحوسبة القيادية، وهو مرفق مستخدم للعلوم التابع لوزارة الطاقة. تم تمكين هذا العمل جزئيًا من خلال استخدام البنية التحتية الحسابية والتخزينية والشبكية المتقدمة التي يوفرها نظام الكمبيوتر العملاق Hyak في جامعة واشنطن. يقر الباحثون باستخدام خدمات IBM Quantum في هذا العمل.

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