کامپیوتر کوانتومی، دو نوع ماده‌ی عجیب را شبیه‌سازی می‌کند!
مجله علمی ایلیاد - دانشمندان از کامپیوتری کوانتومی برای شبیه‌سازیِ دو نوع ماده‌ی کوانتومی استفاده کرده‌اند. در این مطالعات از حدود ۲۰۰۰ کوانتوم‌بیت یا «کوبیت» استفاده شده است که این مقدار بسیار بیشتر از ده‌ها کوبیتی که در کامپیوترهای کوانتومی وجود دارد، است. این نتایج که در دو نشریه‌ی Science و Nature به چاپ رسیده است، تجسم جدیدی از دیدگاه فیزیکدان مشهور «ریچارد فاینمن» را ارائه می‌دهد. او امیدوار بود که بتواند با استفاده از کامپیوترهای کوانتومی، سیستم‌های کوانتومی را شبیه‌سازی کرده و رفتار آن‌ها را مطالعه کند.
گفته‌ی مشهور او که در سال ۱۹۸۱ بیان شد، این است: «طبیعت کلاسیک نیست، اگر می‌خواهید طبیعت را شبیه‌سازی کنید، بهتر است آن‌را بر اساس مکانیک کوانتومی انجام دهید.» در رایانه‌ای که توسط شرکت DWave Systems در برنابی کانادا ساخته شده است، شبیه‌سازی‌ها، راه را برای مطالعه‌ی پدیده‌هایی که بسیار پیچیده هستند و در رایانه‌های کلاسیک قابل انجام نیستند، فراهم می‌کند.
«ست لویید» فیزیکدان در دانشگاه MIT، می‌گوید: «این‌ها حقیقتاً بخش‌های بسیار زیبای علم هستند که قادر به تولید انواع پدیده‌های پیش‌بینی شده هستند.» با این حال، شک و تردیدهایی در ماشین آلات DWave راه یافته است و برخی از فیزیکدانان اهمیت نتایج جدید را باور ندارند. در پژوهشی که نتایج آن در ۲۲ آگوست ۲۰۱۸ در مجله‌ی Nature به چاپ رسید، فیزیکدانان DWave، فیزیکِ دو ماده‌ی مغناطیسی دو بعدی را توصیف می‌کنند. در این پژوهش، گذار فازی که در آن نقص‌ها‌ی گرداب مانندی که «چرخاب» یا «تاو» نام دارند و زمانی‌که دما کاهش می‌یابد با یکدیگر جفت می‌شوند، شناسایی شدند. پیش‌بینی نظری این گذار فاز، جایزه‌ی نوبل فیزیکِ سال ۲۰۱۶ را به دست آورد. این پدیده مربوط به فیزیک ابررساناها است، موادی که الکتریسته را بدون هیچ مقاومتی در دمای پایین انتقال می‌دهند. نتایج این شبیه‌سازی‌ها با نتایج شبیه‌سازی‌های انجام شده در رایانه‌های کلاسیک، مطابقت داشت.
شبیه‌سازی دیگری که در ۱۳ ژوئیه‌ی ۲۰۱۸ در مجله‌ی Science منتشر شد، رفتار ماده‌ای سه بُعدی که بین فازهای مختلف مغناطیسی گذار می‌کرد را تکرار نمود. این گذار فازها، هنگامی که پژوهشگران متغیرهایی مانند میدان مغناطیسی اعمال شده را تغییر می‌دادند، اتفاق می‌افتادند. در میان فازهای مشاهده شده، فازی نامنظم که با نام «Spin Glass» شناخته می‌شود نیز مشاهده شد. گروه‌های دیگر پیش‌تر شبیه‌سازی‌‌هایی را با رایانه‌های کوانتومی انجام داده بودند، اما شبیه‌سازی‌های آن‌ها دارای کوبیت‌های کمتری بود.
«محمد امین» دانشمند ارشد DWave، می‌گوید: «این نخستین بار است که این نوع محاسبات با استفاده از این مقدار کوبیت، انجام می‌شود.» هر چه تعداد کوبیت‌ها بیشتر باشد، تعداد بیشتری از ذرات را می‌توان شبیه‌سازی کرد. این مساله به کامپیوتر اجازه می‌دهد تا به صورت بهتری فیزیکِ موادی که در آن‌ها تعداد زیادی از اتم‌ها کنار یکدیگر قرار دارند را شبیه‌سازی کند. کامپیوترهای DWave که از سال ۲۰۱۱ به صورت تجاری به فروش رفته‌اند، بحث‌های زیادی را برانگیخته‌اند. دانشمندان مطمئن نیستند که آیا ماشین‌های کوانتومی، واقعاً رفتار کوانتومی را نشان می‌دهند؟ مانند ارتباطات شبح‌وار بین ذرات دور که با نام «درهم تنیدگی کوانتومی» شناخته می‌شوند؛ و اینکه آیا این رایانه‌ها می‌توانند سریع‌تر از کامپیوترهای کلاسیک کار کنند یا خیر؟
نتایج جدید موجب تقویت اعتبار DWave شده‌اند و تایید می‌کنند که اثرات کوانتومی واقعاً در داخل این کامپیوترها اتفاق می‌افتد. «دانیل لیادار» فیزیکدان از دانشگاه کالیفرنیای جنوبی در لس‌آنجلس، می‌گوید: «به نظر می‌رسد که آن‌ها از فرآیندی کوانتومی برای شبیه‌سازی فرآیند کوانتومی دیگری استفاده می‌کنند. اگرچه نتایج به دست آمده، شاهدی مستقیم مبنی بر اینکه که این کامپیوترها اثرات کوانتومی را نشان می‌دهند، نیست. اما اگر اتفاقی که در درون این کامپیوترها رخ می‌داد، کلاسیک بود، موفقیت‌آمیز بودنش بسیار بعید می‌نمود.»
با این حال، برخی از شک و تردیدها، به وسیله‌ی نتایج ارائه شده حذف شده‌اند. «گریم اسمیت» فیزیکدان مرکز تحقیقات «JILA» در بولدر، می‌گوید: «آن‌ها به طور کلی تصریح نکرده‌اند که آیا این سیستمی کوانتومی است یا خیر؟ همچنین مطالعات جدید نمی‌کوشد که به این سوال پاسخ دهد که آیا DWave سریع‌تر از کامپیوترهای کلاسیک کار می‌کند یا خیر؟»
کامپیوتر کوانتومی DWave نوع خاصی است که براساس فرآیندی به نام «Quantum annealing» کار می‌کند. در حالی که رایانه‌های کنونیِ در حال توسعه توسط گوگل، آی‌بی‌ام، اینتل و دیگران برای اهداف عمومی در نظر گرفته شده‌اند و می‌تواند عملیات‌های غیرممکنی مانند شکستن طرح‌های رمزگذاری داده‌ها را انجام دهند، رایانه‌های Quantum annealing عمدتاً برای حل نوع خاصی از مشکلات به نام بهینه‌سازی، که در آن رایانه باید بهترین گزینه را در بین بسیاری از گزینه‌ها انتخاب کند، مورد استفاده قرار می‌گیرند.
رایانه‌های DWave پیش‌تر برای حلِ مسائلی از قبیل مرتب کردن داده‌ها، شناسایی درختان در تصاویر هوایی و انتخاب بهترین مسیر برای تاکسی‌هایی که در شهر پکن حرکت می‌کنند، استفاده شده بودند. «دائید ونتورلی» فیزیکدان آزمایشگاه هوش‌مصنوعی کوانتومیِ انجمن تحقیقات فضایی دانشگاهی در مرکز تحقیقات آمیس ناسا در موفیت فیلدِ کالیفرنیا، می‌گوید: «استفاده از DWave برای شبیه‌سازی سیستم‌های کوانتومی، امکانات جدیدی را برای رایانه‌ها ایجاد می‌کند. این مطالعات ایده‌های بسیاری را در مورد چگونگی استفاده از دستگاه DWave به افراد می‌دهد.»
نوشته: امیلی کنوور
ترجمه: آوین تهمتن - مجله علمی ایلیاد
ترجمه: آوین تهمتن - مجله علمی ایلیاد