حل المشكلات غير القابلة للحل سابقًا: نوع جديد من الكمبيوتر الكمي التناظري
ابتكر الفيزيائيون نوعًا جديدًا من الكمبيوتر الكمي التناظري القادر على معالجة مشكلات الفيزياء الصعبة التي لا تستطيع أقوى الحواسيب الرقمية العملاقة حلها.
كشفت دراسة رائدة نُشرت في Nature Physics بواسطة فريق من العلماء من جامعة ستانفورد في الولايات المتحدة وكلية دبلن الجامعية (UCD) في أيرلندا أن نوعًا جديدًا من أجهزة الكمبيوتر التناظرية عالية التخصص، والمجهزة بمكونات كمومية في دوائرها، يمكن أن تحل. مشاكل معقدة في فيزياء الكم كانت في السابق بعيدة المنال
. إذا كان من الممكن توسيع نطاق هذه الالأجهزة،إن لديها القدرة على تقديم رؤى حول بعض أهم المشكلات التي لم يتم حلها في الفيزياء.
على سبيل المثال، كان العلماء والمهندسون يبحثون عن فهم أعمق للموصلية الفائقة لفترة طويلة.
حاليًا، المواد فائقة التوصيل، مثل تلك المستخدمة في أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي، والقطارات عالية السرعة، وشبكات الطاقة طويلة المدى الموفرة للطاقة، تعمل فقط في درجات حرارة منخفضة للغاية، مما يعيق تطبيقاتها الأوسع.
الهدف النهائي لعلم المواد هو اكتشاف المواد التي تظهر الموصلية الفائقة في درجة حرارة الغرفة، والتي من شأنها أن تحدث ثورة في استخدامها في مجموعة من التقنيات.
صورة بالميكروغراف لمحاكي الكم الجديد، والذي يتميز بمكوّنين متقاربين من أشباه الموصلات المعدنية بحجم النانو مدمجين في دائرة إلكترونية.
الائتمان: Pouse ، W. ، Peeters ، L. ، Hsueh ، CL et al. محاكاة كمية لنقطة حرجة كمومية غريبة في دائرة كوندو ذات شحنة ثنائية الموقع. نات. فيز. (2023)
الدكتور أندرو ميتشل هو مدير مركز UCD لهندسة الكم والعلوم والتكنولوجيا (C-QuEST)، وهو فيزيائي نظري في كلية الفيزياء بجامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس، ومؤلف مشارك في البحث.
قال: “إن بعض المشكلات معقدة للغاية بحيث يتعذر على أسرع أجهزة الكمبيوتر الرقمية الكلاسيكية حلها.
تعد المحاكاة الدقيقة للمواد الكمومية المعقدة مثل الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية مثالًا مهمًا حقًا – هذا النوع من الحساب يتجاوز بكثير القدرات الحالية بسبب وقت الحوسبة الأسي ومتطلبات الذاكرة اللازمة لمحاكاة خصائص النماذج الواقعية.
الدكتور أندرو ميتشل عالم فيزياء نظرية في جامعة كوليدج دبلن، حاصل على جائزة لوريت من مجلس البحوث الأيرلندي، وهو مدير مركز UCD لهندسة الكم والعلوم والتكنولوجيا (C-QuEST). الائتمان: UCD Media: صورة فنسنت هوبان
ومع ذلك، فإن التطورات التكنولوجية والهندسية التي تقود الثورة الرقمية قد جلبت معها قدرة غير مسبوقة على التحكم في المادة على المستوى النانوي
وقد مكّننا ذلك من تصميم أجهزة كمبيوتر تناظرية متخصصة، تسمى “المحاكيات الكمية”، والتي تحل نماذج معينة في فيزياء الكم من خلال الاستفادة من الخصائص الميكانيكية الكمومية الكامنة في مكوناتها النانوية.
على الرغم من أننا لم نتمكن بعد من بناء جهاز كمبيوتر كمي قابل للبرمجة متعدد الأغراض بقوة كافية لحل جميع المشكلات المفتوحة في الفيزياء، ما يمكننا فعله الآن هو بناء أجهزة تمثيلية مخصصة بمكونات كمومية يمكنها حل مشاكل معينة في فيزياء الكم. “
تتضمن بنية هذه الأجهزة الكمومية الجديدة مكونات هجينة من أشباه الموصلات المعدنية مدمجة في دائرة إلكترونية نانوية، ابتكرها باحثون في جامعة ستانفورد، UCD، ومختبر التسريع الوطني SLAC التابع لوزارة الطاقة (الموجود في ستانفورد).
قامت مجموعة العلوم النانوية التجريبية في ستانفورد، بقيادة البروفيسور ديفيد جولدهابر-جوردون ، ببناء وتشغيل الجهاز، في حين أن النظرية والنمذجة قام بها الدكتور ميتشل في جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس.
قال البروفيسور غولدهابر-جوردون ، الباحث في معهد ستانفورد لعلوم المواد والطاقة: “نحن دائمًا نصنع نماذج رياضية نأمل أن تلتقط جوهر الظواهر التي نهتم بها، ولكن حتى لو اعتقدنا أنها صحيح أنها غالبًا لا يمكن حلها في فترة زمنية معقولة “.
قال البروفيسور غولدهابر-جوردون مع جهاز محاكاة الكم، “لدينا هذه المقابض لتحويل ما لم يكن لدى أي شخص من قبل”.
لماذا التناظرية؟
قال Goldhaber-Gordon إن الفكرة الأساسية لهذه الأجهزة التناظرية هي بناء نوع من تشابه الأجهزة مع المشكلة التي تريد حلها، بدلاً من كتابة بعض رموز الكمبيوتر لجهاز كمبيوتر رقمي قابل للبرمجة.
على سبيل المثال، لنفترض أنك أردت التنبؤ بحركة الكواكب في سماء الليل وتوقيت الكسوف.
يمكنك القيام بذلك عن طريق بناء نموذج ميكانيكي للنظام الشمسي، حيث يقوم شخص ما بتشغيل كرنك، وتمثل التروس المتشابكة الدوارة حركة القمر والكواكب.
في الواقع، تم اكتشاف مثل هذه الآلية في حطام سفينة قديمة قبالة ساحل جزيرة يونانية يعود تاريخها إلى أكثر من 2000 عام. يمكن اعتبار هذا الجهاز بمثابة جهاز كمبيوتر تمثيلي مبكر جدًا.
حتى لا يتم استنشاقها، تم استخدام الآلات المماثلة حتى أواخر القرن العشرين للحسابات الرياضية التي كانت صعبة للغاية بالنسبة لأجهزة الكمبيوتر الرقمية الأكثر تقدمًا في ذلك الوقت.
ولكن لحل مشاكل فيزياء الكم، يجب أن تشتمل الأجهزة على مكونات كمومية. تتضمن بنية محاكاة الكم الجديدة دوائر إلكترونية ذات مكونات نانوية تخضع خصائصها لقوانين ميكانيكا الكم.
الأهم من ذلك، يمكن تصنيع العديد من هذه المكونات، حيث يتصرف كل واحد بشكل متطابق بشكل أساسي مع المكونات الأخرى.
هذا أمر بالغ الأهمية للمحاكاة التناظرية للمواد الكمومية، حيث يكون كل مكون من المكونات الإلكترونية في الدائرة وكيلًا لمحاكاة الذرة ويتصرف مثل “الذرة الاصطناعية”.
تمامًا كما تتصرف الذرات المختلفة من نفس النوع في مادة ما بشكل متماثل، كذلك يجب أن تتصرف المكونات الإلكترونية المختلفة للكمبيوتر التناظري.
لذلك، يوفر التصميم الجديد مسارًا فريدًا لتوسيع نطاق التكنولوجيا من الوحدات الفردية إلى الشبكات الكبيرة القادرة على محاكاة المادة الكمومية الضخمة.
علاوة على ذلك، أظهر الباحثون أنه يمكن هندسة تفاعلات كمومية جديدة في مثل هذه الأجهزة. يعد العمل خطوة نحو تطوير جيل جديد من أجهزة الكمبيوتر الكمومية التناظرية ذات الحالة الصلبة والقابلة للتطوير.
بدايات الكم
لإثبات قوة الحساب الكمي التناظري باستخدام منصة Quantum Simulator الجديدة الخاصة بهم، درس الباحثون أولاً دائرة بسيطة تتكون من عنصرين كميين مقترنين ببعضهما البعض.
يحاكي الجهاز نموذجًا من ذرتين مقترنة ببعضهما البعض عن طريق تفاعل كمي غريب.
من خلال ضبط الفولتية الكهربائية، كان الباحثون قادرين على إنتاج حالة جديدة من المادة حيث يبدو أن الإلكترونات لديها جزء واحد فقط من شحنتها الكهربائية المعتادة – ما يسمى بـ ‘Z3 parafermions’.
تم اقتراح هذه الحالات المراوغة كأساس للحساب الكمي الطوبولوجي في المستقبل، ولكن لم يتم إنشاؤها من قبل في المختبر في جهاز إلكتروني.
قال الدكتور ميتشل: “من خلال توسيع نطاق محاكي الكم من مكونين إلى العديد من المكونات ذات الحجم النانوي ، نأمل أن نتمكن من تصميم أنظمة أكثر تعقيدًا لا تستطيع أجهزة الكمبيوتر الحالية التعامل معها”.
“قد تكون هذه هي الخطوة الأولى لكشف أخيرًا بعض أكثر الألغاز المحيرة في عالمنا الكمومي.”
المصدر: scitechdaily
شاهد ايضا:
