مستقبل الكم: تطوير الجيل القادم من الخوارزميات والمواد الكمومية
من المتوقع أن تحدث أجهزة الكمبيوتر الكمومية ثورة في طريقة معالجة الباحثين لمشاكل الحوسبة المعقدة. يتم تطوير أجهزة الكمبيوتر هذه لمواجهة التحديات الرئيسية في المجالات العلمية الأساسية مثل كيمياء الكم.
في حالة تطورها الحالية، تكون الحوسبة الكمومية شديدة التأثر بالضوضاء والتأثيرات التخريبية في البيئة.
هذا يجعل أجهزة الكمبيوتر الكمومية “صاخبة”، لأن البنات الكمومية، أو الكيوبتات ، تفقد المعلومات عندما تخرج عن المزامنة، وهي عملية تعرف باسم فك الترابط.
لمعالجة قيود أجهزة الكمبيوتر الكمومية الحالية، يقوم الباحثون في مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني (PNNL) ببناء عمليات محاكاة توضح كيفية عمل أجهزة الكمبيوتر الكمومية.
أوضح عالم الكمبيوتر في PNNL أنج لي: “عندما نحاول مراقبة سلوك الأنظمة الكمية بشكل مباشر، مثل الكيوبتات ، فإن حالاتها الكمومية ستنهار”.
لي هو أيضًا باحث في مركز علوم الكم ومركز التصميم المشترك لميزة الكم، وهما اثنان من خمسة مراكز أبحاث علوم معلومات الكم الوطنية التابعة لوزارة الطاقة.
“للتغلب على هذا، نستخدم المحاكاة لدراسة الكيوبتات وتفاعلها مع البيئة.”
عرض الفنان للكمبيوتر الكمومي. الائتمان: صورة جيفري لندن | مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني
يستخدم Li وزملاؤه في مختبر أوك ريدج الوطني ومايكروسوفت الحوسبة عالية السرعة لإنشاء أجهزة محاكاة تقلد الأجهزة الكمومية الأصلية لتنفيذ الدوائر الكمومية المعقدة.
لقد قاموا مؤخرًا بدمج نوعين متميزين من المحاكاة لإنتاج محاكي الكم الشمالي الغربي (NWQ-Sim)، والذي يستخدم لاختبار الخوارزميات الكمومية.
“اختبار الخوارزميات الكمومية على الأجهزة الكمومية بطيء ومكلف. كما أن بعض الخوارزميات متقدمة جدًا بالنسبة للأجهزة الكمومية الحالية “.
“يمكن أن تساعدنا محاكياتنا الكمومية في النظر إلى ما وراء قيود الأجهزة الحالية واختبار الخوارزميات لأنظمة أكثر تطورًا.”
خوارزميات لأجهزة الكمبيوتر الكمومية
ناثان ويبي ، العضو المعين بالاشتراك في PNNL من جامعة تورنتو والأستاذ المنتسب في جامعة واشنطن، يتخذ نهجًا مختلفًا لكتابة كود الكمبيوتر الكمي.
على الرغم من أن التقيد بقدرات الأجهزة الكمومية الحالية قد يكون مزعجًا في بعض الأحيان، إلا أن Wiebe ينظر إلى هذه العقبة على أنها فرصة.
قال Wiebe: “الدوائر الكمومية الصاخبة تنتج أخطاء في الحسابات”. “كلما زاد عدد الكيوبتات المطلوبة لإجراء عملية حسابية، زاد احتمال تعرضها للخطأ.”
طور Wiebe ومعاونوه من جامعة واشنطن خوارزميات جديدة لتصحيح هذه الأخطاء في أنواع معينة من عمليات المحاكاة.
يوفر هذا العمل طريقة أرخص وأسرع لإجراء تصحيح الأخطاء الكمومية. من المحتمل أن يقربنا من إظهار مثال مفيد حسابيًا لمحاكاة كمومية لنظرية المجال الكمومي على الأجهزة الكمومية على المدى القريب.
يمكن أن تكشف محاكاة الدائرة الكمومية عن تأثير الضوضاء على الأجهزة الكمومية متوسطة الحجم. الائتمان: صورة مركبة من قبل دونالد جورجينسن | مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني
تلتقي المادة المظلمة بالحوسبة الكمومية
بينما يسعى Wiebe إلى تقليل الضوضاء من خلال تطوير خوارزميات تصحيح الأخطاء، يلجأ الفيزيائي Ben Loer وزملاؤه إلى البيئة لإدارة المصادر الخارجية للضوضاء.
يوظف Loer خبرته في إنشاء مستويات منخفضة جدًا من النشاط الإشعاعي الطبيعي، وهو أمر مطلوب للبحث عن دليل تجريبي للمادة المظلمة في الكون، للمساعدة في منع فك الارتباط بالكيوبت.
قال لور: “الإشعاع من البيئة، مثل أشعة جاما والأشعة السينية، موجود في كل مكان”. “نظرًا لأن الكيوبتات حساسة جدًا، فقد كانت لدينا فكرة أن هذا الإشعاع قد يتداخل مع حالاتها الكمومية.”
لاختبار ذلك، تعاون Loer ، رئيس المشروع Brent VanDevender ، وزميله John Orrell مع باحثين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) واستخدم مختبر لينكولن التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا درعًا رصاصيًا لحماية الكيوبتات من الإشعاع.
لقد صمموا الدرع للاستخدام داخل ثلاجة التخفيف – وهي تقنية تستخدم لإنتاج درجة حرارة أعلى من الصفر المطلق اللازمة لتشغيل كيوبتات فائقة التوصيل. لقد رأوا أن فك الارتباط بالكيوبت قد انخفض عندما تمت حماية الكيوبتات.
في حين أن هذه هي الخطوة الأولى نحو فهم كيفية تأثير الإشعاع على الحوسبة الكمومية، يخطط لور للنظر في كيفية تأثير الإشعاع على الدوائر والركائز داخل النظام الكمي.
قال لور: “يمكننا محاكاة ونمذجة هذه التفاعلات الكمية للمساعدة في تحسين تصميم الأجهزة الكمومية”.
يأخذ Loer أبحاثه الخاصة بالثلاجة المخففة المحمية بالرصاص تحت الأرض في مختبر PNNL الضحل تحت الأرض بمساعدة الكيميائي PNNL مارفن وارنر
قال وارنر: “إذا طورنا جهازًا كميًا لا يعمل كما ينبغي، فنحن بحاجة إلى أن نكون قادرين على تحديد المشكلة”. “من خلال حماية الكيوبتات من الإشعاع الخارجي، يمكننا البدء في تحديد خصائص المصادر المحتملة الأخرى للضوضاء في الجهاز.
فيديو: المختبر الوطني شمال غرب المحيط الهادئ
إنشاء نظام بيئي كمي في شمال غرب المحيط الهادئ
تدعم PNNL مجموعة واسعة من الأبحاث المتعلقة بالكم، من المحاكاة الكمية وتطوير الخوارزميات لكيمياء الكم إلى تطوير المواد الدقيقة للأجهزة الكمومية.
تشارك PNNL أيضًا مع مؤسسات أخرى في شمال غرب المحيط الهادئ لتسريع البحث الكمي وتطوير قوة عاملة مدربة على علم المعلومات الكمية من خلال Northwest Quantum Nexus (NQN).
بالإضافة إلى ذلك، تستضيف NQN سلسلة ندوات تضم قادة في أبحاث الكم. تعمل NQN على تآزر الشراكات بين الشركات، مثل Microsoft و IonQ ، بالإضافة إلى جامعة أوريغون وجامعة واشنطن وجامعة ولاية واشنطن.
قال جيمس (جيم) أنج: “إن تنمية PNNL لكل من التعاون الصناعي والجامعي تبني أساسًا للحوسبة الكمومية في شمال غرب المحيط الهادئ الذي يمهد الطريق للحوسبة الكمومية الكلاسيكية الهجينة في المستقبل”.
آنج هو كبير العلماء في مجال الحوسبة وقائد قطاع PNNL لبرنامج أبحاث الحوسبة العلمية المتقدمة التابع لوزارة الطاقة (DOE).
المصدر: scitechdaily
قد يهمك:
