کامپیوتر کوانتومی در اولین شبیه‌سازی خود، فیزیک انرژی‌های بالا را شبیه‌سازی کرد.
این تکنیک تازه به رایانه‌های کوانتومی کمک می‌کند تا در حوزه‌ی فیزیک ذرات، مسائل غیرقابل حل را حل کنند.
فیزیکدان‌ها اولین شبیه‌سازی کامل یک آزمایش فیزیک انرژی‌های بالا را با استفاده از یک رایانه‌ی کوانتومی اجرا کردند. موضوع این آزمایش ایجاد جفت‌های ذرات و پادذرات آن‌ها بود. اگر محققان موفق شوند این آزمایش را در مقیاسی وسیع‌تر هم اجرا کنند، قادر خواهند بود محاسباتی را انجام دهند که رایانه‌های معمولی از عهده‌ی حل آن‌ها بر نمی‌آیند. فیزیکدانان برای اینکه به درستی بفهمند نظریه‌هایشان چه چیزی را پیشبینی می‌کند، از شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای استفاده می‌کنند. سپس نتایج شبیه‌سازی‌ها را با داده‌های آزمایش‌های حقیقی مقایسه می‌کنند تا صحت تئوری‌های خود را بسنجند.
کریستین میوشیک (Christine Muschik)، فیزیکدان نظری دانشگاه اینسبروک (Innsbruck) اتریش و یکی از اعضای گروه شبیه‌سازی می‌گوید: «البته در برخی از شبیه‌سازی‌ها، محاسبات آنقدر طولانی هستند که به اصول اولیه‌ی تئوری اجازه‌ی پیشبینی پدیده‌ها را نمی‌دهند. این موضوع به ویژه دربارهی پدیده‌هایی صدق می‌کند که با نیروی قوی هسته‌ای در ارتباط هستند. در واقع این نیرو بر کوارک‌ها حاکم است و آن‌ها را به هم پیوند می‌دهد. با پیوند میان کوارک‌ها، پروتون‌ها و نوترون‌ها به وجود می‌آیند و این ذرات نیز در نهایت هسته‌ی اتم را تشکیل می‌دهند.»
بسیاری از محققان امیدوارند که رایانه‌های کوانتومی بتوانند این مشکل را رفع کنند. این کامپیوترها که هنوز در سطوح ابتدایی توسعه و نوآوری هستند، از فیزیک اشیایی بهره می‌جویند که می‌توانند در یک لحظه حالات چندگانه داشته باشند. واحد داده در این نوع رایانه‌ها کیوبیت است که می‌تواند همزمان صفر و یک باشد، برخلاف بیت‌های کلاسیک که در لحظه‌ای خاص یا صفرند و یا یک هستند. کامپیوتری که از تعداد انگشت‌شماری کیوبیت تشکیل شده باشد، می‌تواند همزمان محاسبات بسیاری را انجام دهد. همچنین می‌تواند وظایفی که دارد را بسیار سریع‌تر از رایانه‌های کلاسیک اجرا کند.
کیوبیت‌های دوست‌داشتنی:
استبان مارتینز (Esteban Martinez)، یک فیزیکدان تجربی در دانشگاه اینسبروک با همکارانش موفق شده یک آزمایش فیزیک انرژی‌های بالا را با استفاده از شبیه‌سازی کوانتومی اجرا کند و به اثبات مفهوم آزمایش برسد. این آزمایش دربارهی تبدیل انرژی به ماده است که طی آن، یک الکترون و یک پوزیترون که پادذره‌ی الکترون است، تولید می‌شوند.
این گروه از یک کامپیوتر کوانتومی با نوارهای میدان مغناطیسی چهار یونی استفاده کردند که هر کدام از یون‌ها، در محیط خلأ یک کیوبیت را پشتیبانی می‌کنند. آن‌ها چرخش یون (جهت‌گیری مغناطیسی یون) را با استفاده از باریکه‌ی لیزر تغییر داده‌اند. این کار یون‌ها را هم‌محور می‌کند که لازمه‌ی انجام محاسبات منطقی و گامی اساسی برای عملکرد رایانه است.
محققان پس از طی 100 مرحله که هر کدام تقریباً چند میلی ثانیه طول کشید، حالات یون‌ها را با استفاده از یک دوربین دیجیتال مشاهده کردند. هرکدام از این چهار یون، نمایان‌گر یک مکان بودند: دو یون برای ذرات و دو یون برای پادذره‌ها. جهت‌گیری یون‌ها نیز نشان می‌داد که آیا در یک مکان خاص، ذره یا پاذره‌ای به وجود آمده یا نه.
محاسبات کوانتومی این گروه از پژوهشگران، پیشبینی‌های یک نسخه‌ی ساده شده از الکترودینامیک کوانتومی که بر پایه‌ی تئوری الکترومغناطیس بود را تأیید می‌کرد. مارتینز می‌گوید: «هرچه میدان قوی‌تر باشد، ما می‌توانیم سریع‌تر ذرات و پادذرات را ایجاد کنیم.» او و همکارانش نتایج شبیه‌سازی خود را در روز 22 ژوئن در ژورنال نیچر به چاپ رساندند.
مارتینز دربارهی نوع رایانه‌ی کوانتومی استفاده شده می‌گوید: «چهار کیوبیت یک رایانه‌ی کوانتومی ساده و ابتدایی را می‌سازند. با استفاده از کامپیوترهای کوانتومی 100 کیوبیتی و کدهای تصحیح خطای پیچیده می‌توانیم بسیاری از محاسبات دشوار را حل کنیم و پارامترهای متعدد را به چندین فاکتور قابل تحلیل کاهش دهیم. اما برای آن دسته از شبیه‌سازی‌های فیزیکی که وجود درصد کمی خطا اشکالی در آن‌ها ایجاد نمی‌کند، می‌توان از رایانه‌هایی با 30 تا 40 کیوبیت استفاده کرد.»
جان چیاورینی (John Chiaverini)، فیزیکدانی که در مؤسسه‌ی فناوری ماساچوست کامپیوترهای کوانتومی را بررسی می‌کند، معتقد است که آزمایش انجام شده را به سختی می‌توان بدون اعمال تغییرات در مقیاس بزرگتر اجرا کرد. او می‌گوید: «آرایش خطی یون‌ها در یک نوار یکی از موانعی است که بر سر راه گسترش آزمایش قرار دارد.» کریستین میوشیک اعلام کرده که گروه محققان در حال برنامه‌ریزی برای استفاده از چیدمان‌های دو بعدی یون‌ها هستند.
مارتینز می‌گوید: «ما هنوز به جایی نرسیده‌ایم که بتوانیم پاسخ مسائل غیرقابل حل توسط رایانه‌های کلاسیک را از رایانه‌های کوانتومی استخراج کنیم. اما هم اکنون در این مسیر در حال حرکت هستیم.» رایانه‌های کوانتومی برای درک تئوری الکترومغناطیس ضروری نیستند، اما شبیه‌سازی با استفاده از آن‌ها می تواند ابهاماتی را دربارهی نیروی قوی هسته‌ای رفع کند. این موضوع به چندین سال زمان نیاز دارد و احتمالاً علاوه بر توسعه‌ی سخت‌افزاری، می‌بایست الگوریتم‌های جدیدی هم برای دستیابی به اهداف فیزیک انرژی‌های بالا تدوین شود.
آندریاس کرانفلد (Andreas Kronfeld)، فیزیکدان نظری آزمایشگاه شتابدهنده‌ی ملی فرمی (Fermilab) می‌گوید: «به عنوان مثال، رایانه‌های کوانتومی توسعه یافته می‌توانند به دانشمندان بگویند که در هنگام برخورد دو ذره با سرعت‌های بسیار بالا، دقیقاً چه اتفاق‌هایی رخ می‌دهد. رایانه‌های کلاسیک در این گونه شبیه‌سازی‌ها کاملاً ناتوان هستند. از طرف دیگر رایانه‌های کونتومی می‌توانند در بررسی ستاره‌های نوترونی به اخترفیزیکدانان کمک شایانی کنند. محققان معتقدند که این اجرام سماوی عجیب، بسته‌های بسیار چگالی از نوترون هستند، اما هنوز هیچ پژوهشگری دراین‌باره مطمئن نیست. آن‌ها همچنین نمی‌دانند که نوترون در ستاره‌های نوترونی کدام یک از حالات ماده را دارد.»
منبع:
Scientific American
منابع مفید:
درهمتنیدگی یون‌ها در اَبَر شبیه ساز
نقاط کوانتمی و اتلاف انرژی
کامپیوترهای کوانتمی چگونه کار می‌کنند؟
کامپیوترهای کوانتمی به چه مقدار انرژی نیاز دارند؟
کیوبیت - ویکی پدیا
Quantum Computers and antimatter experiments