محققان IBM بدون نیاز به کیوبیت بیشتر ، به شبیه سازی بهتری از مولکول ها دست یافتند که می تواند برای طراحی مواد جدید مورد استفاده قرار گیرد.
در حالی که جامعه علمی نفس خود را برای یک رایانه کوانتومی در مقیاس بزرگ در سینه حبس کرده که می تواند محاسبات مفیدی را انجام دهد ، تیمی از محققان IBM با دیدی کاملاً متفاوت به این مسئله پرداخته اند.
دانشمندان باتغییر روشهای قبلی خود ، برخی از مولکول ها را با درجه دقت بالاتری نسبت به قبل ، بدون نیاز به کیوبیت بیشتر شبیه سازی کردند. محققان به طور موثر موفق شدند اطلاعات بیشتری را در توابع ریاضی که برای انجام شبیه سازی استفاده شده اند ، قرار دهند ، به این معنی که نتیجه فرآیند دقیق تر بود ، و با این وجود هیچ هزینه محاسباتی اضافی نداشت.
محققان می گویند خصوصیات مولکولهای پارادایمی مانند هیدروژن فلوراید (HF) با دقت بالاتری در رایانه های کوانتومی کوچک امروزی قابل محاسبه است.
یکی از تولید کنندگان اتومبیل، شرکت دایملر ، شریک تحقیق طولانی مدت کوانتومی IBM ، علاقه شدیدی به نتایج نشان داده است ، که می تواند در تولید باتری های با کارایی بالاتر ، با دوام بیشتر بسیار مفید باشد.
از سال ۲۰۱۵ ، دایملر در حال کار بر روی به تغییر باتری های یون لیتیوم به گوگرد لیتیوم – ماده ای غیر سمی و ارزان است که باعث افزایش ظرفیت و سرعت شارژ خودروهای الکتریکی می شود.
طراحی باتری بر اساس مواد جدید نیاز به درک دقیق ترکیبات و چگونگی ترکیب آنها دارد. این فرایند شامل توصیف دقیق خصوصیات تمام مولکولهای سازنده ترکیب و همچنین ذرات سازنده این مولکولها برای شبیه سازی نحوه واکنش ترکیب در بسیاری از محیطهای مختلف است. به عبارت دیگر ، این یک کار فوق العاده پیچیده و سنگین برای داده ها، با ترکیبات مولکولی بی نهایت است.
روشهای کلاسیکی که امروزه وجود دارند ، نمی توانند این شبیه سازیها را با دقت لازم برای دستیابی به موفقیت مانند آنچه دایملر در تلاش است ، ارائه دهند. هایک ریل ، یکی از محققین کوانتومی IBM Research ، به ZDNet گفت: “این یک مشکل بزرگ برای تولید باتری های نسل آینده است.” “رایانه های کلاسیک و مدل هایی که ما سالها در فیزیک و شیمی تولید کرده ایم هنوز نمی توانند این مشکلات را حل کنند.”
اما این کار می تواند با سرعت توسط رایانه های کوانتومی انجام شود. Qubits و توانایی آنها برای رمزگذاری همزمان اطلاعات مختلف ، الگوریتم های کوانتوم را قادر می سازد تا چندین محاسبات را همزمان انجام دهند – و انتظار می رود که یک روز ، رایانه های کوانتومی بتوانند در عرض چند دقیقه با مشکلاتی که ظاهراً غیرممکن هستند مقابله کنند.
برای این کار ، فیزیکدانان به رایانه های کوانتومی نیاز دارند که بسیاری از کیوبیت ها را پشتیبانی کند. اکثر رایانه های کوانتومی ، از جمله IBM ، با کمتر از ۱۰۰ کیوبیت کار می کنند ، که هیچ کجا به اندازه ای که برای شبیه سازی مولکولهای پیچیده مورد نیاز برای دستیابی به موفقیت باتری های لیتیوم گوگرد، نزدیک نیست.
برخی از خصوصیات این مولکولها به طور معمول در آزمایشات رایانه ای با عملکرد ریاضی به نام همیلتونین نشان داده می شود که نمایانگر توابع فضایی ذرات است که اوربیتال نیز نامیده می شوند. به عبارت دیگر ، هرچه مولکول بزرگتر باشد ، مداری بزرگتر و به تعداد بیشتری کیوبیت و عملیات کوانتومی نیاز خواهد داشت.
تیم IBM گفت: “ما در حال حاضر نمی توانیم به اندازه کافی اوربیتال ها را در شبیه سازی های خود در مورد سخت افزار کوانتومی نشان دهیم تا الکترون های موجود در مولکول های پیچیده در دنیای واقعی را با هم مرتبط کنیم.”
محققان به جای انتظار برای یک کامپیوتر کوانتومی بزرگتر که می تواند محاسباتی سنگین را به خود اختصاص دهد ، تصمیم گرفتند ببینند که این فناوری در حال حاضر چه کاری می تواند انجام دهد. برای جبران محدودیت های منابع ، تیم تحقیقاتی همیلتونین به اصطلاح “همبسته” ایجاد کرد – که شامل اطلاعات اضافی در مورد رفتار الکترون ها در یک مولکول خاص است.
این اطلاعات که مربوط به میل الکترونهای بار منفی برای دفع یکدیگر است ، معمولاً نمی تواند در رایانه های کوانتومی موجود جای گیرد ، زیرا به محاسبات اضافی بیش از حد نیاز دارد. بنابراین ، با وارد کردن رفتار الکترونها به طور مستقیم در یک همیلتونی ، محققان دقت شبیه سازی را افزایش دادند ، اما نیازی به کیوبیت بیشتر ایجاد نکردند.
این روش با وجود منابع محدود موجود تا به امروز ، گام جدیدی برای محاسبه خصوصیات مواد با دقت در رایانه کوانتومی است. دانشمندان گفتند: “هرچه تعداد اوربیتال بیشتری بتوانید شبیه سازی کنید ، می توانید به تولید مثل نتایج یک آزمایش واقعی نزدیکتر شوید.” “مدل سازی و شبیه سازی بهتر در نهایت منجر به پیش بینی مواد جدید با ویژگی های خاص مورد علاقه خواهد شد.”
یافته های IBM ممکن است جدول زمانی اتفاقات را برای برنامه های کوانتومی تسریع کند ، بنابراین ، موارد استفاده جدید حتی در حالی که کامپیوترهای کوانتومی با چند کیوبیت کار می کنند ، ظهور می کند. به گفته محققان ، شرکت هایی مانند دایملر از قبل مشتاقانه اطلاعات بیشتری در مورد موفقیت کسب کرده اند.
بعید است که این تمرکز IBM را بر گسترش مقیاس رایانه کوانتومی خود تغییر دهد. این شرکت اخیراً از نقشه راهی به سیستم یک میلیون کیوبیتی رونمایی کرده و گفته است که انتظار دارد یک کامپیوتر کوانتومی مقاوم در برابر خطا تا ده سال آینده قابل دستیابی باشد. به گفته ریل ، شبیه سازی کوانتومی به احتمال زیاد یکی از اولین کاربردهای این فناوری است که شاهد تأثیرات دنیای واقعی است.
IBM اعلام کرده است که این شرکت در سال ۲۰۲۳ به ۱۰۰۰ کیوبیت خواهد رسید ، که به لطف شبیه سازی مولکول های کوچک می تواند آغاز تولید ارزش اولیه در داروها و مواد شیمیایی باشد.
