نیوزویز – تیمی از دانشمندان در آزمایشگاه ملی ایمز در وزارت انرژی ایالات متحده راهی برای پیشبرد نقش محاسبات کوانتومی در تحقیقات مواد با الگوریتم شبیه‌سازی مواد تطبیقی نشان داده‌اند. کامپیوترهای کوانتومی قابلیت‌های بالقوه‌ای بسیار فراتر از رایانه‌های امروزی دارند و استفاده از یک الگوریتم تطبیقی به آنها اجازه می‌دهد تا راه‌حل‌ها را سریع و دقیق ایجاد کنند.
کامپیوترهای کوانتومی روش محاسباتی کاملاً متفاوتی با کامپیوترهای امروزی دارند. آنها از بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت‌ها تشکیل شده‌اند که می‌توانند اطلاعات بسیار بیشتری را نسبت به بیت‌های موجود در رایانه‌های امروزی رمزگذاری کنند. این قابلیت‌های منحصربه‌فرد به رایانه‌های کوانتومی اجازه می‌دهد تا محاسباتی فراتر از آنچه در حال حاضر با رایانه‌های کلاسیک امکان‌پذیر است، انجام دهند.
تیمی از دانشمندان در آزمایشگاه ایمز در تلاش هستند تا از قدرت کامپیوترهای کوانتومی استفاده کنند تا تحقیقات مواد را آسان‌تر و کارآمدتر کنند. تمرکز اصلی تحقیقات در آزمایشگاه ایمز، مواد کمیاب خاکی است. این مواد در فناوری‌های مختلفی از جمله تلفن‌های هوشمند، هارد دیسک‌های کامپیوتر، دیودهای ساطع نور (LED)، نمایشگرهای الکترونیکی و آهنرباهای دائمی برای فناوری‌های انرژی جایگزین مانند توربین‌های بادی استفاده می‌شوند.
اتکا به مواد خاکی کمیاب چالش برانگیز است زیرا گران هستند و در توزیع جغرافیایی محدود هستند. دانشمندان آزمایشگاه ایمز در حال کار برای یافتن مواد جایگزینی هستند که می توانند جایگزین عناصر کمیاب خاکی شوند اما ارزان تر و در دسترس تر باشند. برای انجام این کار، دانشمندان نیاز به درک بهتر عناصر خاکی کمیاب و رفتار آنها در مواد و کاربردهای مختلف دارند. استفاده از رایانه‌های کوانتومی برای کمک به این تحقیق می‌تواند به طور بالقوه این فرآیند را کارآمدتر کند و به دانشمندان امکان پیشرفت سریع‌تری را بدهد.
Yongxin Yao، دانشمند آزمایشگاه ایمز، توضیح داد که در حال حاضر شبیه سازی دقیق مواد کمیاب بر روی کامپیوتر به دلیل ساختار الکترونیکی پیچیده آنها چالش برانگیز است. رویکرد توسعه یافته توسط تیم او بر اساس مدل های ناخالصی است که ناخالصی های مغناطیسی در مواد را توصیف می کند. علاوه بر این، این مدل‌ها نحوه تعامل ناخالصی با بقیه مواد را در نظر می‌گیرند و به گرفتن خواص الکترونیکی کمک می‌کنند. رویکرد آنها همچنین از روش‌های جاسازی کوانتومی برای شبیه‌سازی مواد حجیم استفاده می‌کند.
در این مورد، تعبیه کوانتومی به نمایشی با ابعاد پایین تر از ماده اشاره دارد. دانشمندان روشی سیستماتیک برای ساده سازی نمایش مواد حجیم برای امکان پذیر ساختن این شبیه سازی ها در پیش گرفتند. استفاده از تعبیه کوانتومی منابع محاسباتی را کاهش می دهد و در عین حال دقت را حفظ می کند.
یائو توضیح داد: «برای کاهش خطا در محاسباتمان، به مدارهای کوانتومی فشرده نیاز داریم. «مسیرهای مختلف، به‌ویژه مدارهای کوانتومی متشکل از مجموعه‌ای از عملیات سخت‌افزاری، می‌توانند سیستم را از نقطه شروع به نقطه پایانی که می‌خواهید به آن برسید، حرکت دهند. به دلیل خطای مربوط به هر عملیات، شما کوتاه ترین مسیر را می خواهید.
الگوریتم استفاده شده توسط تیم Yao طوری طراحی شده است که به طور خودکار کوتاه ترین مسیرها را برای رسیدن به حالت هدف پیدا کند. او گفت این کار گام مهمی در جهت شبیه سازی کل سیستم ها از مواد واقعی است. هنگامی که این فناوری به طور کامل توسعه یابد، می تواند به محققان مواد کمک کند تا مواد جدید را برای اهداف خاص به طور موثرتری کشف و طراحی کنند.
ما روشی تطبیقی برای ساخت مدارهای کوانتومی فشرده برای شبیه‌سازی استاتیکی یا دینامیکی ایجاد کرده‌ایم. این کار اولین کاربرد جامع روش تطبیقی برای مدل‌های ناخالصی مشتق شده از مواد واقعی است. بنابراین این یک گام مهم به سمت شبیه سازی مواد واقعی در کامپیوترهای کوانتومی است.
این تحقیق بیشتر در مقاله مورد بحث قرار گرفته است، “مطالعه مقایسه ای حل ویژه کوانتومی متغیر تطبیقی برای مدل های ناخالصی چند مدارینوشته شده توسط Anirban Mukherjee، Noah F. Berthusen، João C. Getelina، Peter P. Orth و Yong-Xin Yao و منتشر شده در فیزیک ارتباطات.
آزمایشگاه ملی ایمز است وزارت انرژی آمریکا دفتر علوم یک آزمایشگاه ملی که توسط دانشگاه ایالتی آیووا اداره می شود. آزمایشگاه ایمز مواد، فناوری ها و راه حل های انرژی نوآورانه ایجاد می کند. ما از تخصص، توانایی های منحصر به فرد و همکاری بین رشته ای خود برای حل مشکلات جهانی استفاده می کنیم.
آزمایشگاه ایمز توسط دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده پشتیبانی می شود. دفتر علوم بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است و برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند. برای اطلاعات بیشتر لطفا مراجعه کنید به https://energy.gov/science.