یک قرن با مکانیک کوانتومی؛ از درک ذرات تا رایانه‌هایی برای حل مسائل غیرممکن

امسال یک قرن از کشف مکانیک کوانتومی مشخص می‌شود. این دستیابی به موفقیت به مردم کمک کرد تا درک کنند که قوانین فیزیک حاکم بر دنیای اطراف ما در کوچکترین سطح خود – مولکول‌ها، اتم‌ها و ذرات زیر اتمی – اساساً با قوانینی که در تعامل با اشیاء در زندگی روزمره ما وجود دارد، متفاوت است. 

به گزارش اندیشه قرن، مکانیک کوانتومی به ما این امکان را داده است که جزئیات همه چیز را از فرآیندهای متابولیکی در جریان خون خود گرفته تا باتری‌های برقی که از اتومبیل‌ها و رایانه‌های خود استفاده می‌کنند، و برای اکتشافات از لیزرها گرفته تا نیمه هادی‌ها درک کنیم.

مکانیک کوانتومی شیوه درک دنیای طبیعی را تغییر داد، اما با این وجود تا سال ۱۹۸۱ فیزیکدان مشهور ریچارد فاینمن مشاهده کرد که از آنجا که جهان کوانتومی است، اگر واقعاً می‌خواستیم یک کامپیوتر برای شبیه‌سازی کارآمد همه دنیای طبیعی باشد، بشریت احتمالاً مجبور است یک کامپیوتر کوانتومی بسازد. 

بیش از بیش از یک دهه از پیشرفت‌های علمی، گوگل پیشرفت قابل توجهی در جهت دید ما در ساخت رایانه‌های کوانتومی در مقیاس بزرگ و اصلاح شده در مقیاس بزرگ داشته است که می‌تواند مشکلات غیرممکن را برطرف کند. در جشن روز جهانی کوانتومی، بیایید سه حوزه را کشف کنیم که رایانه‌های کوانتومی می‌توانند زندگی را بهبود بخشند. 

۱. داروی بهتر

محققان هنوز چیزهای زیادی برای یادگیری در مورد سیستم‌های بیولوژیکی پیچیده بدن انسان دارند، و رایانه‌های کوانتومی ممکن است به ما کمک کنند تا درک عمیق‌تری داشته باشیم – مانند کمک به درک سیستم‌های کلیدی مربوط به طراحی مواد مخدر و متابولیسم ما. با محاسبه چگونگی تعامل برخی از داوطلبان دارویی با اهداف و سایر مولکول‌های بیولوژیکی، رایانه‌های کوانتومی ممکن است به ما در طراحی درمان‌های مؤثرتر و پیشبرد دارو کمک کنند. به عنوان نمونه، با همکاری شرکت داروسازی Boehringer Ingelheim، ما نشان داده‌ایم که رایانه‌های کوانتومی قادر به شبیه‌سازی ساختار کلیدی سیتوکروم P۴۵۰، آنزیمی است که در انسان یافت می‌شود و دقت بیشتری در زمان کمتری نسبت به رایانه‌های کلاسیک دارد. سیتوکروم P۴۵۰ یک آنزیم مهم برای تعیین اثربخشی دارو است، زیرا داروهای موجود در جریان خون ما را تجزیه می‌کند. 

۲. باتری‌های بهتر

نیاز جهان به انرژی – و توانایی ذخیره آن – هر سال در حال رشد است. ما در حال بررسی نحوه دسترسی رایانه‌های کوانتومی برای کمک به طراحی مواد جدید هستیم. به عنوان مثال، ما با همکاری شرکت شیمیایی BASF بررسی کرده‌ایم که رایانه‌های کوانتومی قادر به شبیه‌سازی دقیق اکسید لیتیوم نیکل (LNO) هستند، ماده‌ای که در باتری‌ها استفاده می‌شود. LNO تولید صنعتی دشوار است و جنبه‌های شیمی آن به خوبی درک نشده است، اما یک اثر محیطی کوچکتر از اکسید کبالت که معمولاً مورد استفاده قرار می‌گیرد، ارائه می‌دهد، و ما حتی گزینه‌های دیگری را برای استفاده از کبالت در باتری‌ها بررسی کرده ایم. شبیه‌سازی رفتار مکانیکی کوانتومی LNO می‌تواند روند تولید صنعتی را بهبود بخشد و در نهایت به ما در ساخت باتری‌های بهتر کمک کند. 

۳ منابع جدید انرژی

Fusion Energy، منبع تغذیه ستارگان، نوید انرژی تمیز و فراوان را ارائه می‌دهد – اما هنوز در مقیاس تحقق نیافته است. طراحی راکتورهای لازم برای درک مواد در شرایط فیوژن شدید به مدلهای محاسباتی متکی است. با این حال، مدل‌های فعلی فاقد دقت هستند، که اغلب در مطابقت با نتایج در دنیای واقعی ناکام هستند و میلیاردها ساعت CPU را تقاضا می‌کنند. محققان ما با همکاری آزمایشگاه‌های ملی Sandia، نشان دادند که یک الگوریتم کوانتومی که بر روی یک رایانه کوانتومی تحمل گسل اجرا می‌شود، می‌تواند به طور مؤثر مکانیسم‌های مورد نیاز برای واکنش‌های پایدار فیوژن را شبیه‌سازی کند، که در نهایت می‌تواند به واقعیت تبدیل شود. 

این نوع پیشرفت در پزشکی و انرژی یک جهش بزرگ خواهد بود، اما با این وجود ممکن است سطح آنچه را که می‌تواند با محاسبات کوانتومی امکان‌پذیر باشد، خراش دهد. با توجه به پیچیدگی این فناوری، می‌تواند مشکلاتی را حل کند که ما حتی نمی‌دانیم چگونه می‌خواهیم بپرسیم. اما تحقق پتانسیل کامل محاسبات کوانتومی نیاز به پیشرفت در کل پشته‌ها، از جمله ساخت و مقیاس‌بندی بهتر است. بهبود تصحیح خطای کوانتومی؛ توسعه الگوریتم‌های کوانتومی جدید و استفاده از آن‌ها در دنیای واقعی. هیچ کس نمی‌تواند این کار را به تنهایی انجام دهد، بنابراین ما به همکاری با شرکا در آکادمی، صنعت و بخش دولتی برای ایجاد پیشرفته‌ترین سیستم محاسبات کوانتومی در جهان ادامه خواهیم داد.