رایانه‌های کوانتومی، شیمی‌دان می‌شوند

محمود حاج‌زمان: گروهی از فیزیکدانان موفق شده‌اند در نخستین استفاده عملی از رایانه‌های کوانتومی، پیش‌بینی کنند که یک واکنش شیمیایی چگونه اتفاق می‌افتد.

به گزارش نیوساینتیست، حتی قدرتمندترین رایانه‌های فعلی برای مطالعه چگونگی مشارکت مولکول‌ها در یک واکنش شیمیایی کم می‌آورند. این مساله تاحدی به‌خاطر پیچیدگی سیستم‌های شیمیایی است، زیرا از آن‌جاکه هر اتم با سایر اتم‌های مجاور خود اندرکنش دارد، پیچیدگی این سیستم‌ها با اضافه شدن هر اتم دو برابر می‌شود.

مواجهه با چنین پیچیدگی شدیدی برای رایانه‌های کوانتومی بسیار ساده‌تر است، زیرا رایانه‌های کوانتومی از ویژگی مشابهی برخوردارند: با اضافه شدن تنها یک بیت کوانتومی یا همان کیوبیت، قدرت محاسباتی دوبرابر می‌شود. به گفته اندرو وایت از دانشگاه کویینزلند استرالیا، بین مدل‌سازی شیمی و رایانه‌های کوانتومی یک تطابق طبیعی وجود دارد.

در سال 2005 / 1384، آلن آسپورو گازیک و تیم تحقیقاتی وی در دانشگاه هاروارد، الگوریتمی را ارائه کردند تا محاسبات شیمی کوانتومی را بر روی یک رایانه کوانتومی انجام دهد. اکنون وایت، گازیک و همکارانشان این الگوریتم را بر مبنای جدیدترین فناوری محاسبات کوانتومی که یک سخت‌افزار محاسباتی دو کیوبیتی است، تکمیل کرده‌اند.

محاسبات تکراری
الگوریتم تخمین تکراری آنها، بر اساس الگوریتم‌های کوانتومی موجود مانند الگوریتم شور است که با موفقیت برای شکستن روش‌های رمزگذاری استفاده شده‌اند. این برنامه مرحله به مرحله اجرا می‌شود و خروجی هر مرحله، ورودی مرحله بعد را تشکیل می‌دهد.

بنابه گفته وایت، ورودی الگوریتم شامل دو بخش است: یک کیوبیت کنترلی منفرد و یک رشته از کیوبیت‌ها که از قبل با اطلاعات دیجیتال مربوط به سیستم شیمیایی مورد نظر کدگذاری شده است.

کیوبیت کنترلی تمام کیوبیت‌های رشته را احاطه می‌کند، به نحوی که مقدار خروجی -که به‌صورت 0 یا 1 است- اطلاعاتی درباره انرژی سیستم شیمیایی به‌دست می‌دهد. هر بار اجرای مجدد برنامه یک عدد را به مقدار خروجی اضافه می‌کند. به منظور دست‌یابی به مقدار دقیق انرژی سیستم، در هر بار اجرای برنامه، الگوریتم 20 بار تکرار می‌شود. به گفته وایت این کار معادل محاسبه بیست رقم اعشار است. خطاهای احتمالی می‌تواند به این معنا باشد که تصادفا جای یک 0 و 1 عوض شده است. لذا برای چک کردن نتیجه، این فرایند بیست مرحله‌ای 30 بار تکرار شده است.

دقت شگفت‌آور
گروه تحقیقاتی این الگوریتم را برای محاسبه انرژی یک مولکول هیدروژن، به عنوان تابعی از فاصله آن از مولکول‌های مجاور استفاده کرد. نتایج مبهوت‌کننده بود. سطوح انرژی محاسبه شده آنها با دقت شگفت‌آور 6 در میلیون با پیش‌بینی‌های مدل تطابق داشتند. وایت می‌گوید وقتی برای نخستین بار نتایج را دید، تصور می‌کرد که در حال نگاه کردن به محاسبات تئوری است.

اگرچه اغلب از رمزگذاری (Cryptography) به عنوان نخستین کاربرد محاسبات کوانتومی نام برده می‌شود، به نظر می‌رسد در کوتاه‌مدت شیمی محتمل‌ترین گزینه برای استفاده از رایانه‌های کوانتومی باشد. بنابر اظهارات گازیک، یک سیستم 128 کیوبیتی در علم شیمی قادر است از تمام رایانه‌های فعلی جلو بزند. با این حال الگوریتم‌های کوانتومی رمزگذاری به هزاران کیوبیت نیاز دارد تا قابل استفاده باشند.

به گفته وایت، مدل هیدروژنی مورد استفاده آنها اگرچه یک مدل کوانتومی بسیار ساده بود که تقریبا همه پیچیدگی‌ها در این مدل حذف شده بود، با این حال به نتیجه مطلوبی رسید. در عمل می‌توان از مدل‌های پیچیده‌تری استفاده کرد. برای این کار تنها کافی است که از سیستمی با کیوبیت‌های بیشتر استفاده کرد.