IBM با استفاده از کامپیوترهای کوانتومی واکنش های شیمیایی را شبیه سازی می کند

کمپانی IBM از رویکرد جدیدی برای شبیه سازی مولکول ها با استفاده از کامپیوترهای کوانتومی پرده برداشته است. این پیشرفت می تواند علم مواد و شیمی را متحول کند. IBM در ژورنال nature گفته است که این رویکرد جدید درک بشر را از واکنش های شیمیایی پیچیده افزایش خواهد داد. این پیشرفت می تواند به توسعه ی برنامه های کاربردی علمی مانند ساخت مواد جدید، توسعه ی داروهای شخصی سازی شده و کشف منابعانرژیکارآمد و پایدار کمک کند.

محاسبات کوانتومی جای پیشرفت و امیدواری زیادی دارد؛ زیرا این روش جدید برای انجام محاسبات از بیت های کوانتومی یا کوبیت ها استفاده می کند. برخلاف بیت های معمولی یک کوبیت می تواند <<صفر>> <<یک>> یا هر دوی آن ها باشد. با استفاده از این کوبیت ها، دستگاه ها قادرند تعداد زیادی محاسبات را به صورت همزمان انجام دهند و منجر به ساخت یک کامپیوتر کوانتومی با توانایی انجام پردازش های خاص با کارایی بسیار بالا شوند. ‫IBM سال هاست که در رابطه با محاسبات کوانتومی تحقیقاتی را انجام می دهد و اکنون شروع به انتشار گزارشات خود از پیشرفت های رخ داده کرده است.

دانشمندان IBM الگوریتمی توسعه داده اند که از یک پردازنده ی کوانتومی ۷ کوبیتی استفاده می کند. در واقع این دانشمندان با استفاده از ۶ کوبیت از این پردازنده، برای اندازه گیری حالت کمترین انرژی ماده ی برلیوم هیدرید (BeH2) استفاده کرده اند. این اندازه گیری، یک حرکت کلیدی برای درک واکنش های شیمیایی است. این مورد تاکنون بزرگ ترین مولکول شبیه سازی شده در کامپیوترهای کوانتومی است. با این که می توان مدلBeH2را بر روی کامپیوترهای معمولی نیز شبیه سازی کرد، ولی کمپانی IBM اظهار داشته است که با استفاده از این رویکرد می توان به اندازه گیری ویژگی مولکول های بزرگتری نیز پرداخت که کامپیوترهای معمولی از انجام آن عاجز هستند.

داریو گیل، معاون پژوهشی تحقیقاتی هوش مصنوعی و آی بی ام کیو در مرکز تحقیقاتی IBM می گوید:

با تشکر از برنده ی جایزه نوبل،ریچارد فاینمن، عمومی ترین چیزی که در موردکوانتوممی دانیم این است که کوانتوم طبیعتی مکانیکی دارد. این همان چیزیست که تحقیقات اخیر ما آن را ثابت می کند. ما قادر به استفاده از کامپیوتر های کوانتومی برای افزایش دانش بشر در مورد پدیده های طبیعی درجهانهستیم. پیش بینی می کنیم در چند سال آینده ظرفیت و توانایی سیستم های آی بی ام کیو از کامپیوترهای مرسوم امروزی پیشی بگیرد و به عنوان یک ابزار برای متخصصان در زمینه هایی مانند شیمی، زیست شناسی، بهداشت و علوم مواد به کار گرفته شود.

برای کمک به نشان دادن این موضوع که کامپیوتر های کوانتومی چگونه در حال شبیه سازی مولکول ها هستند؛ توسعه دهندگان و کاربران آی بی ام کیو در حال حاضر قادر به دسترسی به سایت منبع باز <<Jupyter Notebook>> در زمینه شیمی کوانتوم هستند. از طریق دسترسی به ابزار منبع باز <<QISKitgithubrepo>>، کاربران می توانندشبیه سازی هایی را برای مولکول های کوچک مانند هیدروژن و لیتیوم هیدرید انجام دهند. سال گذشته کمپانی آی بی ام، تجربه ی استفاده از آی بی ام کیو را با استفاده از یک کامپیوتر کوانتومی پنج بیتی در محیطی ابری و با دسترسی رایگان در اختیار عموم مردم قرار داد. این کمپانی با به روزرسانیپردازندهو استفاده از یک پردازنده ۱۶ کوبیتی، تجربه ی استفاده از آن را به صورت دسترسی بتا در اختیار کاربران قرار داده است.

آلن اسپورو-گوزیک، استاد شیمی و زیست شناسی دردانشگاههاروارد در بیانیه ای گفته است:

تیم آی بی ام اخیرا چندینآزمایشانجام داده است و به وسیله ی این آزمایشات توانسته است بزرگ ترین مولکولی را که تاکنون بر روی یک کامپیوتر کوانتومی شبیه سازی شده است را شبیه سازی کند. زمانی که کامپیوتر های کوانتومی قادر به شبیه سازی مواد شیمیایی با روش عددی دقیق هستند، احتمالاً هنگامی که در حال اصلاح خطا روی کوبیت های منطقی با تعداد زیاد هستیم کار مختل خواهد شد. برای پیش بینی های دقیق (Exact) باید مولکول ها به گونه ای طراحی شوند که نیازمند انجام کالیبراسیون هنگام آزمایش نباشند. این کار ممکن است منجر به کشف داروهای جدید و مولکولی کوچک یا مواد آلی شود.

شیمی یک نمونه از مجموعه ی وسیعی از مسائل است که می تواند توسط کامپیوتر های کوانتومی و با الگوریتم های مناسب مورد تجزیه و تحلیل قرار گیرد. همچنین، کامپیوترهای کوانتومی می توانند روش های بهینه سازی پیچیده را بررسی کنند. آن ها حتی می توانند در شاخه ای ازیادگیری ماشینو هوش مصنوعی که مبتنی بر الگوریتم های بهینه سازی است کمک های شایانی کنند. در ابتدای سال جاری میلادی، دانشمندان کمپانی آی بی ام و مشارکت کنندگان نشان دادند که پیشرفت های قابل تعریفی برای الگوریتم های یادگیری ماشین از نوع قطعی روی کامپیوترهای کوانتومی وجود دارد.

به عنوان مثالی برای برنامه های کاربردی کوانتومی در آینده، آی بی ام، بخش های قطعی یک مسئله را در یک ماشین معمولیقرار می دهد در حالی که اکثر محاسبات دشوار و پیچیده در یک کامپیوتر کوانتومی به صورت آفلاین بارگذاری می شود. این روش نشان دهنده ی این است که چگونه صنعت و تجارت قادر به استفاده از کامپیوترهای کوانتومی و قدرت محاسباتی این سیستم ها، در کنار زیرساخت ها و فناوری های موجود خواهند بود. به عنوان نقطه ای برای شروع، توسعه دهندگان، برنامه نویسان و محققان می توانند الگوریتم های کوانتومی را اجرا کنند و با تک بیت های کوانتومی کار کنند و با استفاده از امکانات آی بی ام کیو، شبیه سازی ها و آموزش های خود را انجام دهند. علاوه بر این شرکای تجاری آی بی ام، در حالتحقیقبر روی کاربردهای دیگری از کامپیوترهای کوانتومی خارج از مرزهای این شرکت هستند.