مقالات حوزه شبیه سازی
دستیابی دانشمندان به روش جدید و قدرتمند شبیه‌سازی کوانتومی دیجیتالی

دستیابی دانشمندان به روش جدید و قدرتمند شبیه‌سازی کوانتومی دیجیتالی

پدیده‌ی محلی‌سازی، دقت حل مسائل کوانتومی بس‌ذره‌ای را توسط کامپیوتر‌های کوانتومی افزایش می‌دهد. این مسائل، در حالت طبیعی برای کامپیوترهای معمولی چالش‌برانگیز هستند. این پدیده، شبیه‌سازی‌های کوانتومی را با استفاده از ادوات کوانتومی امروزی، ممکن ساخته و باعث بوجود آمدن مفهومی تحت عنوان شبیه‌سازی کوانتومی دیجیتالی شده است. کامپیوترهای کوانتومی نوید این را می‌‌دهند که مسائل محاسباتی را بسیار سریع‌تر از ماشین‌های کلاسیک حل کنند. مارکوس هیل (Markus Heyl) از موسسه‌ی ماکس پلانک می‌گوید:

 یک کاربرد بسیار نویدبخش، روش حل مسائل کوانتومی بس ذره‌ای با استفاده از مفهوم شبیه‌سازی کوانتومی دیجیتالی است. چنین شبیه‌سازی‌هایی می‌توانند، تاثیر مهمی بر شیمی کوانتومی، علم مواد و فیزیک بنیادی داشته باشند.

در شبیه‌سازی کوانتومی دیجیتالی، تکامل زمانی سیستم بس ذره‌ای کوانتومی مورد مطالعه، به وسیله‌ی یک سری از دروازه‌های بنیادی کوانتومی و از طریق گسستن زمان و شکستن آن به بازه‌های زمانی تحقق می‌یابد. این فرآیند Trotterization نامیده می‌شود. مارکوس هیل می‌گوید:

یک چالش اساسی، کنترل یک منبع خطای ذاتی است که به دلیل گسسته‌سازی ظاهر می‌شود.

مارکوس به همراه همکاران بین‌المللی خود، در مقاله‌ای که در مجله‌ی Science Advances  منتشر شد، نشان داده‌اند محلی‌سازی کوانتومی توسط محدود کردن تکامل زمانی از طریق تداخل کوانتومی، این خطاها را به شدت به مشاهده‌پذیرهای محلی محدود می‌کند. هیل می‌گوید:

بنابراین شبیه‌سازی کوانتومی دیجیتال، به صورت ذاتی قوی‌تر از چیزی است که شاید به دلیل حدود خطاهای شناخته شده در تابع موج بس ذره‌ای جهانی انتظار می‌رود.

این قدرت، با یک آستانه‌ی بسیار مشخص و به صورت تابعی از زمان گسسته‌‌ی استفاده شده، مشخص می‌شود که با اندازه‌ی گام تروتر (Trotter step) اندازه‌گیری شده است. این آستانه، یک منطقه‌ی عادی را با خطاهای تروتر قابل کنترل از یک رژیم کوانتومی آشوبناک جدا می‌کند جایی که سیستم، محلی‌ سازی را در فضای ویژه حالت‌های عملگر تحول زمانی نشان می‌دهد. در منطقه‌ی کوانتومی آشوبناک، خطاها به سرعت روی یکدیگر انباشته می‌شوند، بدان معنی که خروجی شبیه ‌سازی کوانتومی، عملا غیر قابل استفاده است. مارکوس می‌گوید:

نتایج ما نشان می‌دهد شبیه‌سازی کوانتومی دیجیتالی با گام‌های تروتر به نسبت بزرگ‌تر می‌تواند خطاهای تروتر کنترل‌شده برای مشاهده‌پذیرهای محلی را همچنان حفظ ‌کند. بنابراین کاهش تعداد عملکردهای دروازه‌ی موردنیاز برای نمایش تحول زمانی مورد نظر، امکان‌پذیر است. با اینکار، اثرات نامطلوب عملکرد دروازه‌ها نیز کاهش می‌یابد.

این پدیده، انجام شبیه‌سازی کوانتومی دیجیتالی را با استفاده از ادوات کوانتومی امروزی برای حل مسائل کوانتومی بس ذره‌ای که حل آن‌ها به صورت کلاسیک و پیوسته چالش برانگیز بود، امکان‌پذیر می‌سازد.
 


مشاهده مقاله اصلی در مجله
منبع: phys.org
بيشتر