علماء أوك ريدج يستخدمون الكمبيوتر الكمومي لأبحاث الخلايا الشمسية - تحليل أخبار الحوسبة عالية الأداء | داخل HPC

أعلن مختبر أوك ريدج الوطني أن الباحثين في المختبر استخدموا الكمبيوتر الكمومي H1-1 الكم ليس فقط لإثبات أفضل الممارسات للحوسبة العلمية على أنظمة الكم الحالية ولكن أيضًا لإنتاج ما قاله المختبر إنه نتيجة علمية مثيرة للاهتمام.

تم تمويل المشروع من قبل مكتب علوم الطاقة الأساسية التابع لوزارة الطاقة. الوصول إلى H1-1 ، كمبيوتر كمي جاهز للمؤسسات تم إنشاؤه بواسطة Quantinuum (تم إنشاؤه بواسطة Honeywell و Cambridge Quantum في عام 2021) ، تم توفيره بواسطة برنامج مستخدم الحوسبة الكمومية في منشأة أوك ريدج للحوسبة القيادية ، وهي منشأة مستخدم تابعة لمكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة.

من خلال نمذجة الانشطار المفرد - حيث ينتج عن امتصاص فوتون واحد من الضوء بواسطة جزيء حالتين متحمستين - أكد الفريق أن الخطي H₄ تتوافق المستويات النشطة للجزيء مع متطلبات عملية الانشطار. الخطي H₄ الجزيء ، ببساطة ، جزيء مكون من أربع ذرات هيدروجين مرتبة بطريقة خطية. المستويات النشطة للجزيء هي طاقات كل حالة كمية تشارك في ظاهرة ، مثل الانشطار المفرد ، وكيفية ارتباطها ومقارنتها مع بعضها البعض. حقيقة أن المستويات النشطة للجزيء الخطي تؤدي إلى الانشطار الفردي يمكن أن تكون معرفة مفيدة في الجهد العام لتطوير ألواح شمسية أكثر كفاءة.

قال دانيال: "هذا أحد العوامل المحفزة الرئيسية وراء الانشطار المفرد - تتمتع الخلايا الشمسية التقليدية بكفاءة نظرية قصوى تبلغ حوالي 33 بالمائة ، ولكن تم افتراض أن المواد التي تظهر الانشطار المفرد يمكن أن تكسر هذا الحد ويمكن أن تكون أكثر كفاءة". كلودينو ، عالم أبحاث في مجموعة علوم الحوسبة الكمومية في ORNL والباحث الرئيسي في المشروع. "الجانب السلبي هو أنه من الصعب للغاية فهم ما إذا كانت مادة معينة تعرض الانشطار المفرد بشكل أساسي. هناك متطلبات حيوية معينة ، ومن الصعب العثور على المواد التي تلبيها ".

بفضل دقته العالية لتكلفة حسابية يمكن التحكم فيها ، يوفر نهج فريق ORNL لاستخدام الكمبيوتر الكمومي طريقة محاكاة فعالة لتحديد الجزيئات التي تظهر خصائص الانشطار المفرد مع تجاوز التقريبات الشائعة في التقنيات المستخدمة لأجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية. كانت نتائج عملها نشرت في مجلة رسائل الكيمياء الفيزيائية.

الانشطار الفردي ظاهرة متعددة الحالات ، لذلك احتاج فريق ORNL إلى طريقة حسابية يمكن أن تصف جميع الحالات الكمية للعملية على قدم المساواة لحساب أرقام الطاقة الدقيقة. لجأوا إلى PDS، وهو محلل كمي يعتمد على نهج بيترز-ديفريز-سولداتوف وتم تطويره في مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني.

تتمتع PDS ببعض المزايا مقارنة بالاستراتيجيات الكلاسيكية لتحديد الخصائص النشطة للمادة ، بما في ذلك دقة أعلى بكثير من نظرية الكثافة الوظيفية ومتطلبات حسابية أقل من نظرية الكتلة المقترنة. ونظرًا لأنه تم تطويره لتحسين دقة وكفاءة عمليات المحاكاة في كيمياء الكم ، فإن نظام التوزيع العام مناسب تمامًا للاستفادة من المزايا المحتملة لأجهزة الكمبيوتر الكمومية.

قال كلودينو: "تدور طاقة الانشطار المفرد حول الإثارة الإلكترونية المزدوجة - ينتقل إلكترونان إلى مستويات طاقة أعلى في وقت واحد ، وهو أمر يصعب تحديده باستخدام خوارزميات أجهزة الكمبيوتر التقليدية". "لكن الطريقة الأساسية التي يعمل بها الكمبيوتر الكمومي ، يمكنه بشكل طبيعي معالجة الارتباطات الكمية التي تؤدي إلى ظهور ظاهرة الانشطار المفرد. هذا عندما توصلنا إلى إدراك أنه ، "نعم ، يجب أن نستخدم الكمبيوتر الكمومي لمعالجة شيء ما هو في الأساس كمي." هذا معروف. لكنني أعتقد أننا كنا أول من أدرك أن لديه التطبيق لهذه المشكلة المحددة ".

الاحصاء الكمية - تقنية لا تزال في مراحلها التكوينية مقارنة بأجهزة الكمبيوتر العملاقة الكلاسيكية مثل فئة إكساسكيل OLCF حدود - يستخدم بتات الكم أو كيوبت لإجراء العمليات الحسابية. على عكس البتات الثنائية المستخدمة في أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية ، تتجاوز الكيوبتات 1 و 0 لتستخدم أيضًا 1 و 0 في وقت واحد في تراكب مختلط ، مما يزيد بشكل كبير من قدرتها على المعالجة لبعض المعادلات ، مثل تلك القائمة في ميكانيكا الكم. ومع ذلك ، لا تزال أنظمة الكمبيوتر الكمومية عرضة لمعدلات أخطاء عالية ، وكان على الفريق تعويض هذا التحدي لتحقيق نتائج موثوقة.

قال كلودينو: "من الأفضل أن يكون لديك العديد من القياسات لتكون في الجانب الآمن عندما يتعلق الأمر بتجنب الأخطاء ، ولكن بعد ذلك لن نتمكن من تشغيل هذه الخوارزمية في الوقت المناسب". "هذا عندما توصلنا إلى تحسين القياس لتقليل حجم حساباتنا إلى شيء معقول من حيث وقت الحوسبة. لقد انتقلنا من شيء كان كبيرًا للغاية إلى شيء كان قابلاً للتكيف مع العتاد الكمومي ".

طبق أعضاء فريق ORNL ثلاث استراتيجيات مستقلة لتقليل عبء العمل الحسابي لمشروعهم ، مما قلل من وقتهم في الحل من أشهر إلى بضعة أسابيع. أولاً ، في تقنية تسمى qubit tapering ، قاموا بتقليل عدد الكيوبتات المطلوبة للتعبير عن المشكلة ، مما يقلل من حجم المشكلة نفسها. ثانيًا ، لقد أخذوا قياسات أقل لحل المشكلة عن طريق قياس مجموعات المصطلحات مرة واحدة بدلاً من قياس كل مصطلح فردي من كل مجموعة (عملية تسمى التبديل qubit-wise). ثالثًا ، بدلاً من تنفيذ كل دائرة على حدة ، وجدوا طريقة لتشغيل أربع دوائر على التوازي ، مما يسمح لهم باستخدام جميع الكيوبتات العشرين في H20-1. رصيد التوضيح: Adam Malin / ORNL.

طبق أعضاء فريق ORNL ثلاث استراتيجيات مستقلة لتقليل عبء العمل الحسابي للمشكلة ، مما قلل من وقتهم في الحل من أشهر إلى بضعة أسابيع. أولاً ، في تقنية تسمى qubit tapering ، قاموا بتقليل عدد الكيوبتات المطلوبة للتعبير عن المشكلة ، مما يقلل من حجم المشكلة نفسها. ثانيًا ، أخذوا قياسات أقل لحل المشكلة عن طريق قياس مجموعات المصطلحات مرة واحدة بدلاً من قياس كل مصطلح فردي من كل مجموعة. ثالثًا ، بدلاً من تنفيذ كل دائرة على حدة ، وجدوا طريقة لتشغيل أربع دوائر على التوازي ، مما يسمح لهم باستخدام جميع الكيوبتات العشرين في H20-1.

"لقد أدركنا أنه إذا أردنا إلقاء هذا الشيء بأكمله في جهاز كمبيوتر كمي ، فلن يعمل لأنه لا يزال كثيرًا جدًا بالنسبة للتكنولوجيا الحالية. الفكرة هي أنك تريد تخيل طريقة للاستفادة من الكمبيوتر الكمومي ولكن فقط لمهام محددة نعلم أنها يمكن أن تؤدي بشكل أفضل من أجهزة الكمبيوتر التقليدية. "ومع ذلك ، حتى ذلك الحين ، ما زلت مقيدًا بالحالة الفنية الحالية التي تسمح لنا فقط إما بالارتقاء إلى حجم معين أو أداء المهام التي تستغرق وقتًا طويلاً فقط. هذا هو عنق الزجاجة الرئيسي عند اللجوء إلى أجهزة الكمبيوتر الكمومية ".

أظهر مشروع فريق ORNL جدوى أجهزة الكمبيوتر الكمومية الحالية لمعالجة المشكلات العلمية التي يمكن أن تؤثر على الحياة اليومية. على الرغم من أن كلاودينو لا يتوقع معالجة الانشطار المفرد مرة أخرى قريبًا ، إلا أن فريقه يدرس مشكلات أخرى - مثل "تفاعل المادة والضوء" - التي يمكن حلها باستخدام تقنيات الحوسبة الكمومية الموضحة في هذا المشروع.

"على الرغم من أن الأساليب التي استخدمناها قد تم نشرها سابقًا ، إلا أنني أقول إنها بعيدة كل البعد عن أن يتم تبنيها على نطاق واسع. قال كلودينو "أعتقد أننا نقدم حجة قوية لاستخدام مثل هذه الأساليب". "يجب على الباحثين أن يضعوا في اعتبارهم أنهم قد يهدرون الموارد الكمية ويحتمل أن يزيدوا الأخطاء في عمليات المحاكاة الخاصة بهم من خلال عدم الاستفادة من هذه التقنيات."

المنشورات ذات الصلة:
كلودينو ، د. ، وآخرون. آل. ، "نمذجة الانشطار الفردي على جهاز كمبيوتر كمي ،" مجلة رسائل الكيمياء الفيزيائية (2023) https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.3c01106

المصدر: Coury Turczyn، ORNL

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون السيارات / المركبات الكهربائية ، كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• BlockOffsets. تحديث ملكية الأوفست البيئية. الوصول هنا.
• المصدر https://insidehpc.com/2023/07/oak-ridge-scientists-use-quantum-computer-for-solar-cell-research/