پردازشگر کوانتومی مقیاس پذیر، انتقال فاز غیرتعادلی را شبیه سازی می کند - Physics World

یک پردازنده کوانتومی 20 کیوبیتی برای شبیه سازی ماهیت کلاسیک و کوانتومی انتقال فاز غیرتعادلی استفاده شده است. این کار توسط محققانی در ایالات متحده و کانادا انجام شد که از یک پردازنده ساخته شده استفاده کردند کوانتینیوم، که در انگلستان و ایالات متحده مستقر است. موفقیت این تیم نشان می‌دهد که پردازنده‌های کوانتومی در مقیاس کوچک می‌توانند به زودی مشکلاتی را حل کنند که فراتر از توانایی رایانه‌های معمولی است - دستاوردی به نام مزیت کوانتومی. این مزیت را می توان در زمینه هایی از جمله ماده متراکم، اپتیک کوانتومی و مترولوژی مورد استفاده قرار داد.

علاوه بر اینکه یک ستون مرکزی فیزیک است، انتقال فاز بخشی از زندگی روزمره ما است - به تبخیر مایعات به گاز یا تشکیل یخ از آب مایع فکر کنید. فیزیکدانان سال‌ها انتقال فاز را مطالعه کرده‌اند و درک خوبی از فرآیندهای مربوطه در زمانی که سیستم‌ها در تعادل ترمودینامیکی هستند به دست آورده‌اند. اما در سیستم هایی که از تعادل دور هستند، وضعیت پیچیده تر می شود. و اگر چنین سیستم‌هایی ماهیت کوانتومی داشته باشند، برای شبیه‌سازی با استفاده از روش‌های محاسباتی مرسوم بسیار پیچیده هستند.

اینجاست که کامپیوترهای کوانتومی می توانند به کمک بیایند. در اصل، پردازنده‌های کوانتومی هنگام انجام محاسبات پیچیده خاص، از رایانه‌های معمولی بهتر عمل می‌کنند. با این حال، ما هنوز با ایجاد کامپیوترهای کوانتومی در مقیاس بزرگ که می توانند الگوریتم های بزرگ را اجرا کنند، فاصله داریم. این امر مستلزم ادغام چند هزار تا یک میلیون بیت کوانتومی (کیوبیت) است و پردازنده‌های کوانتومی امروزی تنها کسری از آن را ادغام می‌کنند. چالش مهم دیگری که در ساخت رایانه های کوانتومی با آن روبرو هستند این است که کیوبیت های امروزی دارای نویز هستند و بنابراین بسیار مستعد خطاهایی هستند که به سرعت محاسبات کوانتومی را از بین می برند.

تکنیک های هوشمندانه

این نقیصه محققان را از استفاده از تکنیک‌های هوشمندانه برای استفاده حداکثری از فناوری‌های کیوبیت بازنداشته است.

اکنون محققان کوانتینووم، دانشگاه تگزاس در آستین، دانشگاه پرینستون و دانشگاه بریتیش کلمبیا از پردازنده کوانتومی H1-1 کوانتینوم برای محاسبه مدل 1 بعدی انتقال فاز غیرتعادلی استفاده کرده اند. این پردازنده شامل 20 کیوبیت یون به دام افتاده است.

این مدل به فرآیند نفوذ مستقیم (DP) مربوط می شود، که زمانی رخ می دهد که یک سیال با استفاده از گرانش فیلتر می شود تا آن را از طریق یک ماده متخلخل عبور دهد. انتقال فاز مربوطه از حالت تراوا (نفوذ) به حالت نفوذ ناپذیر (غیر نفوذ پذیر) است. محققان تکامل زمانی سیستم را با استفاده از یک مدل زمان گسسته توصیف کردند که برای شبیه‌سازی گسترش بیماری تماسی نیز استفاده می‌شود.

پردازنده متوسط

در حالی که پردازنده H1-1 تعداد کمی از کیوبیت ها را ارائه می دهد، کیوبیت ها نرخ خطای کمی دارند. علاوه بر این، روشی به نام استفاده مجدد کیوبیت برای تبدیل موثر پردازنده کوانتومی 20 کیوبیتی به پردازنده ای شامل 73 کیوبیت استفاده شد. برای مقابله با نویز کیوبیت از تکنیک های اجتناب از خطا استفاده شد. این شامل اندازه گیری در سطوح مختلف نویز، از جمله برخی که عمداً معرفی شده اند، می شود. در نظر گرفتن این سطوح مختلف با هم به محققان اجازه داد تا نویز را به صفر برسانند.

شبیه‌سازی‌های زمان گسسته در دو طرف انتقال فاز و نزدیک به نقطه بحرانی انجام شد. نتایج این شبیه‌سازی‌ها شواهدی از یک انتقال فاز DP برای هر دو نسخه کلاسیک و کوانتومی مدل را نشان داد.

در حالی که این محاسبات نزدیک به دستیابی به مزیت کوانتومی بودند، هنوز هم می توان آنها را بر روی یک کامپیوتر معمولی انجام داد. اما آنچه مهم است این است که محققان ابزارهای مناسبی را برای بزرگ‌سازی محاسبات توسعه داده‌اند تا روی پردازنده‌های کوانتومی بزرگ‌تر اجرا شوند. محققان می گویند که مزیت کوانتومی تنها با افزایش اندک عدد کیوبیت و کاهش جزئی نرخ خطا قابل دستیابی است. این امر راه را برای محاسباتی هموار می کند که بینش هایی را در مورد فرآیندهای غیرتعادلی در زمینه هایی مانند ماده متراکم، اپتیک کوانتومی و مترولوژی فراهم می کند.

مشکل ابعاد بالاتر

دیوید هیزیکی از مدیران ارشد تحقیق و توسعه در Quantinuum می‌گوید که این تحقیق نشان می‌دهد که نیازی نیست منتظر کامپیوترهای کوانتومی عظیمی باشیم که 10 سال دیگر فاصله دارند. در عوض، او می‌گوید که کاهش خطا باقی مانده است و بخشی از برنامه‌های محاسباتی کوانتومی برای آینده قابل پیش‌بینی خواهد بود. او می افزاید که تیم مایل است تحقیقات خود را حداقل در دو جبهه بیشتر کند. اول، هدف آنها دستیابی به نرخ خطای کمتری در رایانه کوانتومی خود است. ثانیاً آنها با یک مسئله ابعاد بالاتر مقابله خواهند کرد که برای نشان دادن یک مزیت کوانتومی مفیدتر است. او خاطرنشان می کند که این کار به کیوبیت های بیشتری نسبت به آنچه که H1-1 قادر به پشتیبانی بود نیاز دارد.

راه‌حل‌های کوانتومی هانیول و محاسبات کوانتومی کمبریج با هم متحد شدند تا کوانتینووم را تشکیل دهند.

ایگور لسانوفسکی فیزیکدان دانشگاه توبینگن آلمان است و در این تحقیق شرکت نداشته است. او فکر می‌کند که این تحقیق به خوبی نشان می‌دهد که یک کامپیوتر کوانتومی در آینده به چه نوع سؤالاتی می‌تواند پاسخ دهد - به‌ویژه، بررسی تأثیر اثرات کوانتومی بر ویژگی‌های چند جسمی نوظهور مانند انتقال فاز. این اثرات نوظهور فقط در سیستم های به اندازه کافی بزرگ و در زمان های کافی ظاهر می شوند، که مطالعات تجربی و نظری را دشوار می کند.

لسانوفسکی می‌گوید این کار «واقعاً تأثیرگذار» است، زیرا به‌طور واضح نشانه‌های انتقال فاز غیرتعادلی را در یک دستگاه کوانتومی نشان می‌دهد و توان‌های حیاتی را استخراج می‌کند. به منظور روشن کردن برخی از سوالات بی پاسخ، او امیدوار است که این تکنیک ها را بتوان برای مطالعه سیستم های کوانتومی بزرگ در زمان های بسیار طولانی گسترش داد.

تحقیق در شرح داده شده است فیزیک طبیعت.

• محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. به خودت قدرت بده دسترسی به اینجا.
• PlatoAiStream. هوش وب 3 دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
• PlatoESG. کربن ، CleanTech، انرژی، محیط، خورشیدی، مدیریت پسماند دسترسی به اینجا.
• PlatoHealth. هوش بیوتکنولوژی و آزمایشات بالینی. دسترسی به اینجا.
• منبع: https://physicsworld.com/a/scalable-quantum-processor-simulates-non-equilibrium-phase-transitions/