محققان موسسه‌ی علم و فناوری کره (KIST) با استفاده از کیودیت‌های فوتونی، به محاسبات بسیار دقیق در شیمی کوانتومی دست یافته‌اند. این کیودیت‌ها، واحدهای کوانتومی با ابعاد بالاتر، به دانشمندان اجازه می‌دهند بدون کاهش خطا، محاسبات پیچیده را انجام دهند و راه را برای اکتشافات جدید در حوزه‌هایی مانند کشف دارو و علم مواد هموار کنند. این رویکرد مبتنی بر کیودیت‌های فوتونی، نویدبخش پیشرفت‌های چشمگیری در این حوزه است.
محاسبات کوانتومی به سرعت در حال تکامل است و نوید پیشرفت‌هایی در زمینه‌هایی مانند کشف دارو و علم مواد را می‌دهد. با این حال، کامپیوترهای کوانتومی فعلی با افزایش پیچیدگی محاسباتی، با محدودیت‌هایی به دلیل تجمع خطا مواجه هستند. الگوریتم حلگر ویژه مقدار کوانتومی (Variational Quantum Eigensolver – VQE)، یک رویکرد ترکیبی که محاسبات کلاسیک و کوانتومی را ترکیب می‌کند، به عنوان یک راه حل بالقوه ظهور کرده است. VQE از واحدهای پردازش کوانتومی (Quantum Processing Units – QPUs) و واحدهای پردازش کلاسیک (Classical Processing Units – CPUs) برای سرعت بخشیدن به محاسبات استفاده می‌کند و توسط موسسات پیشرو مانند گوگل و مایکروسافت با استفاده از سیستم‌های کوانتومی مختلف، از جمله سیستم‌های ابررسانا و یون‌های به دام افتاده، به طور فعال در حال تحقیق است. با وجود نویدبخش بودن، پیاده‌سازی VQE در سیستم‌های فوتونی به ۲ کیوبیت و سیستم‌های ابررسانا به ۱۲ کیوبیت محدود شده است که عمدتاً به دلیل چالش‌های مقیاس‌گذاری خطا است.
محققان KIST رویکرد جدیدی برای VQE با استفاده از کیودیت‌ها، واحدهای کوانتومی با ابعاد بالاتر، به جای کیوبیت‌های سنتی ایجاد کرده‌اند. کیودیت‌ها، برخلاف کیوبیت‌ها که می‌توانند ۰ و ۱ را نشان دهند، می‌توانند چندین حالت (به عنوان مثال، ۰، ۱ و ۲) را نشان دهند و مزایایی را برای محاسبات پیچیده ارائه دهند. تیم KIST کیودیت‌ها را با استفاده از حالت تکانه زاویه‌ای مداری یک فوتون پیاده‌سازی کرد و با دستکاری فاز فوتون از طریق تصاویر هولوگرافیک به گسترش ابعاد دست یافت. این روش امکان محاسبات با ابعاد بالا را بدون گیت‌های کوانتومی پیچیده فراهم می‌کند و به طور موثری خطاها را به حداقل می‌رساند.
این تیم VQE مبتنی بر کیودیت خود را برای محاسبات شیمی کوانتومی به کار برد و طول پیوند مولکول‌های هیدروژن را در چهار بعد و مولکول‌های هیدرید لیتیوم (LiH) را در ۱۶ بعد تخمین زد. این اولین پیاده‌سازی موفق محاسبات ۱۶ بعدی در سیستم‌های فوتونی است. نکته قابل توجه این است که تیم KIST بدون نیاز به تکنیک‌های کاهش خطا، بر خلاف پیاده‌سازی‌های VQE معمولی توسط گوگل، مایکروسافت و دیگران، به دقت شیمیایی دست یافت. این دستاورد پتانسیل VQE مبتنی بر کیودیت را برای محاسبات با دقت بالا با منابع کمتر برجسته می‌کند و درهایی را برای کاربردهای گسترده‌تر در صنایعی که درک خواص مولکولی بسیار مهم است، باز می‌کند.
اهمیت این تحقیق در نشان دادن دقت و کارایی بیشتر در محاسبات شیمی کوانتومی است. روش‌های سنتی VQE اغلب برای دستیابی به دقت شیمیایی به استراتژی‌های پیچیده کاهش خطا نیاز دارند که سربار محاسباتی را افزایش می‌دهد. رویکرد مبتنی بر کیودیت تیم KIST از این نیاز عبور می‌کند، فرآیند را ساده می‌کند و به طور بالقوه منابع محاسباتی را کاهش می‌دهد. این پیشرفت می‌تواند با امکان شبیه‌سازی دقیق‌تر و کارآمدتر برهمکنش‌های مولکولی، توسعه داروها و مواد جدید را به طور قابل توجهی سرعت بخشد.
علاوه بر این، استفاده از سیستم‌های فوتونی برای پیاده‌سازی کیودیت، مزایای بالقوه‌ای را از نظر مقیاس‌پذیری و ادغام ارائه می‌دهد. سیستم‌های فوتونی به دلیل استحکام و سهولت دستکاری شناخته شده‌اند و آنها را برای ساخت کامپیوترهای کوانتومی در مقیاس بزرگتر جذاب می‌کند. موفقیت تیم KIST در دستیابی به محاسبات ۱۶ بعدی با کیودیت‌های فوتونی، امکان‌پذیری مقیاس‌بندی این رویکرد را به سیستم‌های پیچیده‌تر نشان می‌دهد.
پیامدهای این تحقیق فراتر از شیمی کوانتومی است. توانایی انجام محاسبات با دقت بالا با منابع کمتر می‌تواند به سایر زمینه‌هایی که نیاز به شبیه‌سازی‌های پیچیده دارند، مانند مدل‌سازی آب و هوا نیز کمک کند. توسعه الگوریتم‌های کوانتومی کارآمد و دقیق برای آزادسازی پتانسیل کامل محاسبات کوانتومی و پرداختن به برخی از چالش‌برانگیزترین مسائل علمی بسیار مهم است.
دکتر هیانگ-تگ لیم از KIST بر تاثیر بالقوه این فناوری تاکید می‌کند و می‌گوید: «با تضمین فناوری محاسبات کوانتومی مبتنی بر کیودیت که می‌تواند با منابع کمتر به دقت شیمیایی دست یابد، انتظار داریم که در زمینه‌های عملی مختلفی مانند توسعه داروهای جدید و بهبود عملکرد باتری استفاده شود.» این تحقیق راه را برای محاسبات کوانتومی کارآمدتر و دقیق‌تر هموار می‌کند و به طور بالقوه زمینه‌های علمی و صنعتی مختلف را متحول می‌کند. حذف تکنیک‌های کاهش خطا، فرآیند را ساده می‌کند و آن را در دسترس‌تر می‌کند و توسعه فناوری‌ها و راه‌حل‌های جدید را سرعت می‌بخشد. این پیشرفت گامی مهم در جهت دستیابی به کاربردهای عملی محاسبات کوانتومی است.
اگر به خواندن کامل این مطلب علاقه‌مندید، روی لینک مقابل کلیک کنید: phys-org
