یک الگوریتم نوین مبتنی بر اصول کوانتومی توانسته است شبیه‌سازی آشفتگی را در رایانه‌های کلاسیک دگرگون کند. این الگوریتم، با کاهش زمان محاسبات از چند روز در ابررایانه‌ها به چند ساعت در لپ‌تاپ، پیشرفت چشمگیری در پیش‌بینی آب‌وهوا و تحلیل‌های صنعتی ایجاد کرده است.
چگونه الگوریتم‌های کوانتومی، شبیه‌سازی‌های آشفتگی را دگرگون می‌کنند
شبیه‌سازی جریان هوای آشفته و دینامیک سیالات، مدت‌هاست که حتی برای پیشرفته‌ترین رایانه‌های کلاسیک هم چالش‌برانگیز بوده است. آشفتگی، به دلیل وجود گردابه‌های بی‌شماری که با یکدیگر در تعامل هستند، ذاتاً بی‌نظم است. این بی‌نظمی، شبیه‌سازی‌های دقیق را از نظر محاسباتی بسیار پرهزینه می‌کند. اما اکنون، یک الگوریتم پیشگامانه‌ی مبتنی بر اصول کوانتومی، شبیه‌سازی‌های سریع‌تر و کارآمدتری را ممکن ساخته است. این الگوریتم، زمینه‌هایی مانند پیش‌بینی آب‌وهوا و فرآیندهای صنعتی را متحول می‌کند.
رویکردی هوشمندانه‌تر برای آشفتگی
این روش جدید توسط نیکیتا گوریانوف و همکارانش در دانشگاه آکسفورد توسعه داده شده است. این روش از شبکه‌های تانسوری (Tensor Networks) استفاده می‌کند. شبکه‌های تانسوری، یک چارچوب ریاضی است که ریشه در فیزیک کوانتوم دارد. رایانه‌های کوانتومی نوید انجام چنین محاسبات پیچیده‌ای را می‌دهند، اما هنوز در مراحل اولیه‌ی توسعه هستند. در عوض، شبکه‌های تانسوری راهی برای بهره‌گیری از تفکر کوانتومی در رایانه‌های سنتی ارائه می‌دهند.
شبکه‌های تانسوری با نمایش آشفتگی به عنوان توزیع‌های احتمال، داده‌های مورد نیاز برای شبیه‌سازی‌ها را ساده می‌کنند. این ساده‌سازی، منابع محاسباتی مورد نیاز را به طور چشمگیری کاهش می‌دهد. به عنوان مثال، تقاضای پردازنده ۱۰۰۰ برابر و استفاده از حافظه یک میلیون برابر کاهش می‌یابد. شبیه‌سازی‌هایی که قبلاً در ابررایانه‌ها روزها طول می‌کشید، اکنون می‌توانند در عرض چند ساعت در یک لپ‌تاپ معمولی انجام شوند.
کاربردهای دنیای واقعی
پیامدهای این پیشرفت بسیار گسترده است. پیش‌بینی آب‌وهوا، طراحی آیرودینامیک هواپیما و فرآیندهای شیمیایی صنعتی، همگی به درک جریان‌های آشفته وابسته‌اند. با استفاده از این الگوریتم، محققان می‌توانند نتایج معناداری را سریع‌تر و با هزینه‌ی کمتر به دست آورند. گونار مولر، فیزیکدان دانشگاه کنت، اهمیت این موفقیت را اینگونه بیان می‌کند: «نویسندگان این مقاله با یک لپ‌تاپ می‌توانند از آنچه در یک ابررایانه ممکن است، پیشی بگیرند… این یک مزیت فوق‌العاده است.»
نقش شبکه‌های تانسوری
شبکه‌های تانسوری با کاهش پیچیدگی شبیه‌سازی‌ها، به محققان اجازه می‌دهند تا با تنظیم میزان داده‌های پردازش‌شده، سطوح دقت را کنترل کنند. این ابزارها قبلاً در به چالش کشیدن ادعاهای «برتری کوانتومی» مؤثر بوده‌اند. به عنوان مثال، شبکه‌های تانسوری توانایی تکرار وظایفی را که قبلاً مختص پردازنده‌های کوانتومی پنداشته می‌شد، نشان داده‌اند و قدرت خود را در سیستم‌های کلاسیک ثابت کرده‌اند.
در حالی که رایانه‌های کوانتومی بزرگ و مقاوم در برابر خطا، هنوز هدفی برای آینده هستند، این الگوریتم در حال حاضر این شکاف را پر می‌کند. با اعمال الگوریتم‌های هوشمندتر بر روی سخت‌افزار موجود، محققان قابلیت‌هایی را که زمانی دست‌نیافتنی به نظر می‌رسیدند، ممکن می‌سازند.
مسیر پیش رو
این نوآوری، پتانسیل تفکر کوانتومی را برای متحول کردن محاسبات کلاسیک نشان می‌دهد. با ادامه‌ی اصلاح این تکنیک‌ها توسط محققان، زمینه‌هایی که به شبیه‌سازی‌های پیچیده وابسته هستند، به‌طور قابل توجهی سود خواهند برد. در حال حاضر، ترکیب الگوریتم‌های پیشرفته و فناوری موجود، پیشرفت را به روش‌هایی غیرقابل تصور در گذشته، هدایت می‌کند.
اگر به خواندن کامل این مطلب علاقه‌مندید، روی لینک مقابل کلیک کنید: new scientist
