رایانش کوانتومی هیبریدی؛ راهکاری برای کاهش خطا و هزینه شبیه‌سازی‌های پیچیده
پژوهشگران با ارائه چارچوبی نظری برای رایانه‌های کوانتومی هیبریدی، راهی برای ترکیب کیوبیت‌ها و تشدیدگرهای کاواک مایکروویو پیشنهاد کرده‌اند که می‌تواند منابع محاسباتی موردنیاز برای شبیه‌سازی برهم‌کنش‌های پیچیده ذرات را تا هزار برابر کاهش دهد؛ رویکردی که در صورت تحقق عملی، می‌تواند مطالعه مواد پیشرفته، ابررساناها و واکنش‌های شیمیایی را تسهیل کند.
به گزارش سیناپرس، رایانه‌های کوانتومی ظرفیت بالایی برای شبیه‌سازی پدیده‌هایی دارند که محاسبه آن‌ها با رایانه‌های متعارف بسیار دشوار است؛ اما مدل‌سازی هم‌زمان دو گروه اصلی ذرات بنیادی، یعنی فرمیون‌ها و بوزون‌ها، همچنان یکی از چالش‌های این فناوری به شمار می‌رود. اکنون گروهی از فیزیک‌دانان، مهندسان و متخصصان علوم رایانه، چارچوبی نظری برای ترکیب دو فناوری کوانتومی ارائه کرده‌اند که می‌تواند این محدودیت را کاهش دهد.
در فیزیک، ذرات بنیادی بر اساس ویژگی‌های کوانتومی خود به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند. فرمیون‌ها، مانند الکترون‌ها و پروتون‌ها، اجزای سازنده ماده‌اند؛ درحالی‌که بوزون‌ها، از جمله فوتون‌ها، در انتقال نیروها نقش دارند. این دو دسته از قوانین آماری کوانتومی متفاوتی پیروی می‌کنند و شبیه‌سازی برهم‌کنش آن‌ها برای درک بسیاری از پدیده‌های فیزیکی و شیمیایی ضروری است.
کیوبیت‌ها، واحدهای پایه اطلاعات در رایانه‌های کوانتومی، برای مدل‌سازی سامانه‌های متشکل از فرمیون‌ها مناسب‌اند؛ اما شبیه‌سازی بوزون‌ها با آن‌ها می‌تواند به منابع محاسباتی زیادی نیاز داشته باشد. بوزون‌ها برخلاف فرمیون‌ها می‌توانند در یک حالت کوانتومی یکسان قرار گیرند و تعداد زیادی از آن‌ها در یک حالت جمع شوند. بازنمایی این رفتار با تعداد زیادی کیوبیت، پیچیدگی محاسبات و احتمال انباشته‌شدن خطاها را افزایش می‌دهد.
ترکیب کیوبیت‌ها با تشدیدگرهای مایکروویو
این پژوهش به سرپرستی الینور کرین، مدرس رایانش کوانتومی در کالج کینگ لندن، چارچوبی هیبریدی را پیشنهاد می‌کند که کیوبیت‌ها را با «تشدیدگرهای کاواک مایکروویو» ترکیب می‌کند. این تشدیدگرها ساختارهایی هستند که میدان‌های الکترومغناطیسی نوسانی را در خود محصور می‌کنند و می‌توانند برای ذخیره و پردازش اطلاعات کوانتومی به کار روند.
در این رویکرد، کیوبیت‌ها و تشدیدگرها وظایف مکملی بر عهده می‌گیرند تا شبیه‌سازی برهم‌کنش‌های فرمیونی و بوزونی با منابع کمتری انجام شود. پژوهشگران در مدل‌های نظری خود، سامانه‌هایی از جمله تقسیم‌کننده پرتو نور و نمونه‌هایی ساده‌شده از مدل‌های نظری جهان را بررسی کردند تا عملکرد این چارچوب را با روش‌های متعارف مقایسه کنند.
یکی از نمونه‌های بررسی‌شده، مدل پیمانه‌ای در دو بعد فضایی و یک بعد زمانی بود؛ مدلی که با وجود ساده‌سازی نسبت به جهان واقعی، برای مطالعه برخی برهم‌کنش‌های بنیادی اهمیت دارد. برای مثال، گرافن ساختاری تقریباً دوبعدی دارد و برهم‌کنش‌های الکترونی در مواد دوبعدی نیز در شناخت رفتار ابررساناها اهمیت دارند.
بر اساس محاسبات پژوهشگران، این چارچوب می‌تواند منابع موردنیاز برای برخی محاسبات را تا هزار برابر کاهش دهد. البته این رقم به مدل‌ها و شرایط بررسی‌شده مربوط است و به معنای افزایش هزاربرابری سرعت همه محاسبات کوانتومی نیست.
یکی از مزیت‌های بالقوه این روش، کاهش تعداد عملیات منطقی موردنیاز و در نتیجه محدودکردن فرصت انباشته‌شدن خطاهاست. در رایانه‌های کوانتومی، حتی خطاهای کوچک در عملیات منفرد می‌توانند با افزایش تعداد عملیات، نتیجه نهایی را مختل کنند.
پژوهشگران برای مقایسه دقت سخت‌افزارها، سناریویی را بررسی کردند که در آن هر عملیات در سامانه هیبریدی با دقت ۹۹٫۹ درصد انجام می‌شود. طبق تحلیل آن‌ها، یک سامانه متکی بر کیوبیت‌ها برای دستیابی به عملکردی مشابه، به دقتی در حدود ۹۹٫۹۹۹۹ درصد در هر عملیات نیاز دارد. این مقایسه نشان‌دهنده ظرفیت بالقوه روش پیشنهادی برای کاهش الزامات سخت‌افزاری است، نه اثبات عملکرد برتر یک رایانه هیبریدی عملیاتی در همه شرایط.
در صورت توسعه و اعتبارسنجی این فناوری، می‌توان از آن برای بررسی برهم‌کنش الکترون‌ها با فونون‌ها، شبه‌ذرات مرتبط با ارتعاشات شبکه‌های ماده، استفاده کرد. چنین مطالعاتی ممکن است به درک بهتر ابررسانایی در دماهای بالا و طراحی مواد پیشرفته کمک کند. شبیه‌سازی واکنش‌های شیمیایی، بهبود سلول‌های خورشیدی و مطالعه سازوکار عملکرد برخی داروها نیز از کاربردهای بالقوه این رویکرد به شمار می‌روند.
آنتونی چیاوارلا، پژوهشگر علوم محاسباتی در آزمایشگاه ملی لارنس برکلی آمریکا، نیازهای سخت‌افزاری نسبتاً محدود این پیشنهاد را یکی از جنبه‌های امیدوارکننده آن می‌داند. به گفته او، برخی از الزامات دقت موردنیاز به عملکرد دستگاه‌های موجود نزدیک است و این چارچوب می‌تواند هدف مشخصی برای توسعه سخت‌افزارهای آینده فراهم کند.
با این حال، پژوهش حاضر چارچوبی نظری ارائه می‌دهد و تحقق مزایای آن به پیاده‌سازی آزمایشی، ارزیابی عملکرد در سخت‌افزار واقعی و بررسی محدودیت‌های عملی نیاز دارد.
نتایج این پژوهش در نشریه علمی Physical Review X منتشر شده است.
