أخيرًا وجد الفيزيائيون مشكلة لا يمكن إلا لأجهزة الكمبيوتر الكمومية حلها | مجلة كوانتا

تستعد أجهزة الكمبيوتر الكمومية لأن تصبح قوى حسابية عظمى، لكن الباحثين يبحثون منذ فترة طويلة عن مشكلة قابلة للتطبيق تمنح ميزة كمومية، وهو أمر لا يمكن حله إلا بواسطة كمبيوتر كمي. ويجادلون بأنه عندها فقط سوف يُنظر إلى التكنولوجيا في النهاية على أنها ضرورية.

لقد كانوا يبحثون منذ عقود. قال: "جزء من سبب صعوبة الأمر هو أن أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية جيدة جدًا في الكثير من الأشياء التي تقوم بها". جون بريسكيل، عالم فيزياء نظرية في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا.

في 1994، اكتشف بيتر شور أحد الاحتمالات: خوارزمية كمومية لتحليل الأعداد الكبيرة. تعتبر خوارزمية شور قوية ويُعتقد على نطاق واسع أنها تتفوق على جميع الخوارزميات الكلاسيكية؛ فعند تشغيله على حاسوب كمي، فإن لديه القدرة على كسر الكثير من أنظمة أمان الإنترنت، التي تعتمد على صلابة تحليل الأعداد الكبيرة. ولكن بقدر ما هي مثيرة للإعجاب، فإن الخوارزمية ذات صلة فقط بشريحة ضيقة من مجالات البحث، ومن الممكن أن يجد شخص ما غدًا طريقة فعالة لتحليل الأعداد الكبيرة على آلة كلاسيكية، مما يجعل خوارزمية شور موضع نقاش. لقد قادت قابلية تطبيق شور الضيقة مجتمع البحث إلى البحث عن حالات استخدام أخرى للآلات الكمومية التي قد تساعد بالفعل في تحقيق اكتشافات علمية جديدة.

وقال: "نحن لا نريد أن نبني جهاز كمبيوتر للقيام بمهمة واحدة فقط". سونون تشوي، عالم فيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. "بخلاف خوارزمية شور، ما الذي يمكننا فعله أيضًا باستخدام الكمبيوتر الكمي؟"

وكما يقول بريسكيل: "علينا أن نجد تلك المسائل الصعبة تقليديا، ولكن بعد ذلك يتعين علينا أن نبين أن الأساليب الكمومية ستكون فعالة حقا".

اعتقد الباحثون عدة مرات أنهم فعلوا ذلك، واكتشفوا خوارزميات كمومية يمكنها حل المشكلات بشكل أسرع من أي شيء يمكن أن يفعله الكمبيوتر الكلاسيكي. ولكن هناك شخص ما — غالبًا ما يكون الباحث الشاب إوين تانغ - توصل إلى خوارزميات كلاسيكية جديدة ذكية يمكنها أن تتفوق على الخوارزميات الكمومية.

الآن، ربما يكون قد فعل ذلك فريق من الفيزيائيين، بما في ذلك بريسكيل وجدت أفضل مرشح حتى الآن للميزة الكمية. ومن خلال دراسة طاقة بعض الأنظمة الكمومية، اكتشفوا سؤالًا محددًا ومفيدًا يسهل على الآلة الكمومية الإجابة عليه، ولكنه لا يزال صعبًا على الآلة الكلاسيكية. وقال "هذا تقدم كبير في نظرية الخوارزميات الكمومية". سيرجي برافي، عالم فيزياء نظرية وعالم كمبيوتر في شركة IBM. "إن النتيجة التي توصلوا إليها هي ميزة كمية لمشكلة ذات صلة بالكيمياء وعلوم المواد."

الباحثون متحمسون أيضًا لأن العمل الجديد يستكشف مجالات جديدة غير متوقعة في العلوم الفيزيائية. قال تشوي: "تختلف هذه القدرة الجديدة نوعيًا [عن قدرة شور]، ومن المحتمل أن تفتح العديد من الفرص الجديدة في عالم الخوارزميات الكمومية".

تتعلق المشكلة بخصائص الأنظمة الكمومية (الذرات عادةً) في حالات الطاقة المختلفة. عندما تتنقل الذرات بين الحالات، تتغير خصائصها. فقد ينبعث منها لون معين من الضوء، على سبيل المثال، أو تصبح مغناطيسية. إذا أردنا التنبؤ بشكل أفضل بخصائص النظام في حالات الطاقة المختلفة، فمن المفيد أن نفهم النظام عندما يكون في أقل حالاته إثارة، والتي يشير إليها العلماء بالحالة الأرضية.

وقال: "يعمل الكثير من الكيميائيين وعلماء المواد وفيزيائيي الكم على إيجاد الحالات الأساسية". روبرت هوانغ، أحد مؤلفي الورقة الجديدة وعالم الأبحاث في Google Quantum AI. "من المعروف أن الأمر صعب للغاية."

من الصعب جدًا أنه بعد أكثر من قرن من العمل، ما زال الباحثون لم يتوصلوا إلى نهج حسابي فعال لتحديد الحالة الأساسية للنظام من المبادئ الأولى. ولا يبدو أن هناك أي طريقة يستطيع الكمبيوتر الكمي القيام بذلك. لقد خلص العلماء إلى أن العثور على الحالة الأساسية للنظام أمر صعب لكل من أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية والكمية.

لكن بعض الأنظمة الفيزيائية تظهر مشهدًا أكثر تعقيدًا للطاقة. عند تبريدها، لا تستقر هذه الأنظمة المعقدة في حالتها الأرضية، بل عند مستوى طاقة منخفض قريب، يُعرف باسم مستوى الطاقة الأدنى المحلي. (تم منح جزء من جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2021 للعمل في إحدى هذه المجموعات من الأنظمة، المعروفة باسم نظارات تدور.) بدأ الباحثون يتساءلون عما إذا كانت مسألة تحديد الحد الأدنى لمستوى الطاقة المحلي للنظام صعبة أيضًا على مستوى العالم.

بدأت الإجابات في الظهور العام الماضي، عندما تشي فانغ (أنتوني) تشين، مؤلف آخر للورقة الأخيرة، ساعد في تطوير بحث جديد خوارزمية الكم يمكنها محاكاة الديناميكا الحرارية الكمومية (التي تدرس تأثير الحرارة والطاقة والعمل على النظام الكمي). قال هوانغ: "أعتقد أن العديد من الأشخاص قد بحثوا في مسألة كيف يبدو مشهد الطاقة في الأنظمة الكمومية، ولكن في السابق لم تكن هناك أداة لتحليلها". ساعدت خوارزمية تشين في فتح نافذة على كيفية عمل هذه الأنظمة.

عند رؤية مدى قوة الأداة الجديدة، هوانغ و ليو تشو، المؤلف الرابع والأخير للورقة الجديدة، استخدمها لتصميم طريقة لأجهزة الكمبيوتر الكمومية لتحديد الحد الأدنى من حالة الطاقة المحلية للنظام، بدلاً من مطاردة الحالة الأساسية المثالية - وهو النهج الذي ركز على هذا النوع من الأسئلة التي يطرحها الباحثون في مجال الحوسبة الكمومية. نحن نبحث عن. قال بريسكيل: "لدينا الآن مشكلة: العثور على كمية محلية من الطاقة، وهو أمر لا يزال صعبًا من الناحية الكلاسيكية، ولكن يمكننا القول إنه سهل من الناحية الكمية". "وهذا يضعنا في الساحة التي نريد أن نكون فيها لتحقيق الميزة الكمية."

بقيادة بريسكيل، لم يثبت المؤلفون قوة نهجهم الجديد في تحديد الحد الأدنى لحالة الطاقة المحلية للنظام فحسب - وهو تقدم كبير في مجال فيزياء الكم - فحسب، بل أثبتوا أيضًا أن هذه كانت في النهاية مشكلة حيث يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية إظهار قيمتها. وقال هوانغ: "إن مشكلة إيجاد الحد الأدنى المحلي لها ميزة كمية".

وعلى عكس المرشحين السابقين، ربما لن يتم التخلص من هذا المرشح بواسطة أي خوارزميات كلاسيكية جديدة. وقال تشوي: "من غير المرجح أن يتم تقليص حجمها". قدم فريق بريسكيل افتراضات معقولة للغاية وقام ببعض القفزات المنطقية. إذا تمكنت الخوارزمية الكلاسيكية من تحقيق نفس النتائج، فهذا يعني أن الفيزيائيين يجب أن يكونوا مخطئين بشأن أشياء أخرى كثيرة. وقال تشوي: "ستكون هذه نتيجة مروعة". "سأكون متحمسًا لرؤيته، لكن سيكون الأمر صادمًا للغاية لدرجة يصعب تصديقها". يقدم العمل الجديد مرشحًا واعدًا وقابلاً للتتبع لإظهار الميزة الكمية.

ولكي نكون واضحين، فإن النتيجة الجديدة لا تزال ذات طبيعة نظرية. إن إظهار هذا النهج الجديد على كمبيوتر كمي فعلي أمر مستحيل حاليًا. سوف يستغرق الأمر بعض الوقت لبناء آلة يمكنها اختبار الميزة الكمية للمشكلة بدقة. لذا بالنسبة لبرافي، فإن العمل قد بدأ للتو. وقال: "إذا نظرت إلى ما حدث قبل خمس سنوات، لم يكن لدينا سوى عدد قليل من أجهزة الكمبيوتر الكمومية، والآن لدينا بالفعل مئات أو حتى 1,000 من أجهزة الكمبيوتر الكمومية". "من الصعب للغاية التنبؤ بما سيحدث خلال خمس أو عشر سنوات. إنه مجال ديناميكي للغاية."

تصحيح: 12 آذار، 2024
تم تحرير هذه المقالة لوصف البحث عن مشكلة الميزة الكمية بشكل أكثر وضوحًا.