مجلة أقلام مرحبا بك في مجلة أقلام , هنا ستجد آخر المقالات والأخبار
قفزة كمية: الكشف عن أسرار الجزيئات المعقدة باستخدام الحوسبة الهجينة
حل حسابي كمومي للمواد الهندسية.
يستكشف الباحثون في Argonne إمكانية حل الهياكل الإلكترونية للجزيئات المعقدة باستخدام الكمبيوتر الكمومي.
إذا كنت تعرف الذرات التي تتكون منها جزيء معين أو مادة صلبة ، فيمكن تحديد التفاعلات بين تلك الذرات حسابيا ، عن طريق حل المعادلات الميكانيكية الكمومية – على الأقل ، إذا كان الجزيء صغيرًا وبسيطًا. ومع ذلك ، فإن حل هذه المعادلات ، وهو أمر بالغ الأهمية لمجالات من هندسة المواد إلى تصميم الأدوية ، يتطلب وقتًا طويلاً للغاية للحساب بالنسبة للجزيئات والمواد المعقدة.
الآن ، استكشف الباحثون في مختبر أرغون الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (DOE) وكلية بريتزكر للهندسة الجزيئية (PME) وقسم الكيمياء بجامعة شيكاغو إمكانية حل هذه الهياكل الإلكترونية باستخدام الكمبيوتر الكمومي .
“هذه خطوة مثيرة نحو استخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية لمعالجة المشكلات الصعبة في الكيمياء الحاسوبية.” – جوليا جالي
نُشر البحث ، الذي يستخدم مزيجًا من الأساليب الحسابية الجديدة ، على الإنترنت في Journal of Chemical Theory and Computation . كان مدعومًا من قبل Q-NEXT ، وهو مركز أبحاث علوم معلومات الكم الوطني التابع لوزارة الطاقة بقيادة أرغون ، ومركز الغرب الأوسط المتكامل للمواد الحاسوبية (MICCoM).
قالت جوليا جالي ، التي قادت البحث مع ماركو جوفوني ، عالم فريق Argonne وعضو اتحاد UChicago للعلوم والهندسة المتقدمة ( CASE ) : “ هذه خطوة مثيرة نحو استخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية لمعالجة المشكلات الصعبة في الكيمياء الحاسوبية”. .
تحد حسابي
يتضمن التنبؤ بالبنية الإلكترونية للمادة حل المعادلات المعقدة التي تحدد كيفية تفاعل الإلكترونات ، بالإضافة إلى نمذجة كيفية مقارنة الهياكل الممكنة المختلفة مع بعضها البعض في مستويات طاقتها الإجمالية.
على عكس أجهزة الكمبيوتر التقليدية التي تخزن المعلومات في وحدات ثنائية ، تستخدم أجهزة الكمبيوتر الكمومية الكيوبتات التي يمكن أن توجد في تراكب الحالات ، مما يتيح لها حل مشكلات معينة بسهولة أكبر وبسرعة أكبر. ناقش الكيميائيون الحاسوبيون ما إذا كانت أجهزة الكمبيوتر الكمومية قادرة في النهاية على معالجة مشكلة البنية الإلكترونية للمواد المعقدة بشكل أفضل من أجهزة الكمبيوتر التقليدية ومتى. ومع ذلك ، لا تزال أجهزة الكمبيوتر الكمومية اليوم صغيرة نسبيًا وتنتج بيانات صاخبة.
حتى مع وجود نقاط الضعف هذه ، تساءلت جالي وزملاؤها عما إذا كانوا لا يزالون قادرين على إحراز تقدم في إنشاء الأساليب الحسابية الكمومية الأساسية المطلوبة لحل مشاكل البنية الإلكترونية على أجهزة الكمبيوتر الكمومية.
قال جوفوني: “ السؤال الذي أردنا معالجته حقًا هو ما الذي يمكن فعله بالحالة الحالية لأجهزة الكمبيوتر الكمومية”. “ لقد طرحنا السؤال التالي: حتى إذا كانت نتائج أجهزة الكمبيوتر الكمومية صاخبة ، فهل يمكن أن تظل مفيدة في حل المشكلات المثيرة للاهتمام في علم المواد؟”
عملية تكرارية
صمم الباحثون عملية محاكاة هجينة باستخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية من شركة IBM . في نهجهم ، يقوم عدد صغير من الكيوبتات – بين أربعة وستة – بإجراء جزء من العمليات الحسابية ، ثم تتم معالجة النتائج بعد ذلك باستخدام جهاز كمبيوتر كلاسيكي.
قال Benchen Huang ، طالب دراسات عليا في Galli Group والمؤلف الأول للورقة البحثية الجديدة: “ لقد صممنا عملية حسابية تكرارية تستفيد من نقاط القوة في كل من أجهزة الكمبيوتر الكمومية والتقليدية”.
بعد عدة تكرارات ، تمكنت عملية المحاكاة من توفير الهياكل الإلكترونية الصحيحة للعديد من عيوب الدوران في المواد الصلبة. بالإضافة إلى ذلك ، طور الفريق نهجًا جديدًا لتخفيف الأخطاء للمساعدة في التحكم في الضوضاء المتأصلة الناتجة عن الكمبيوتر الكمومي وضمان دقة النتائج.
تلميحات في المستقبل
في الوقت الحالي ، يمكن بالفعل حل الهياكل الإلكترونية التي تم حلها باستخدام النهج الحسابي الكمومي الجديد باستخدام جهاز كمبيوتر تقليدي. لذلك ، فإن الجدل الطويل حول ما إذا كان الكمبيوتر الكمي يمكن أن يتفوق على الكمبيوتر التقليدي في حل مشاكل البنية الإلكترونية لم يتم تسويته بعد.
ومع ذلك ، فإن النتائج التي قدمتها الطريقة الجديدة تمهد الطريق لأجهزة الكمبيوتر الكمومية لمعالجة الهياكل الكيميائية الأكثر تعقيدًا.
قال هوانغ : “ عندما نوسع هذا إلى 100 كيوبت بدلاً من 4 أو 6 ، نعتقد أنه قد يكون لدينا ميزة على أجهزة الكمبيوتر التقليدية”. “ ولكن الوقت فقط سيخبرنا بالتأكيد.”
تخطط مجموعة البحث لمواصلة تحسين نهجهم وتوسيع نطاقه ، وكذلك استخدامه لحل أنواع مختلفة من المشكلات الإلكترونية ، مثل الجزيئات في وجود المذيبات ، والجزيئات والمواد في حالات الإثارة.
