کوانتوم کامپیوتر گوگل برای اولین بار توانست انرژی یک مولکول را دقیقا شبیه‌سازی کند

محققانی که با تیم گوگل کار می‌کنند توانستند به دقت انرژی مولکول‌های هیدروژن (H2) را شبیه‌سازی کنند. اگر بتوان این کار را برای سایر مولکول‌ها نیز تکرار کرد، آنگاه به دستاوردهای بزرگی در همه زمینه‌ها از سلول‌های خورشیدی گرفته تا پزشکی خواهیم رسید.

اینگونه پیش‌بینی‌ها برای کامپیوترهای کلاسیک یا ناممکن است و یا زمان بسیار طولانی صرف می‌کند. به عنوان مثال به دست آوردن انرژی چیزی مثل مولکول پروپان (C3H8)، برای یک سوپرکامپیوتر چیزی در حدود ۱۰ روز زمان می‌برد. برای دست‌یافتن به این شاه‌کار، مهندسان گوگل، با محققانی از دانشگاه هاروارد، آزمایشگاه‌ ملی لارنس بارکلی (Lawrence Berkeley National Labs)، دانشگاه کالیفرنیا سانتا باربارا، دانشگاه تافتز و دانشگاه کالج لندن همکاری کردند.

رایان بابوش (Ryan Babbush)، مهندس نرم‌افزار کوانتومی گوگل می‌نویسد: «اگرچه می‌توان انرژی هیدروژن مولکولی را به صورت کلاسیک محاسبه کرد (البته به طور ناکارآمد)، با یک سخت‌افزار کوانتومی حتی امکان شبیه‌سازی سیستم‌های بزرگ‌‌تر شیمیایی نیز فراهم می‌آید».

واکنش‌های شیمیایی در طبیعت کوانتومی هستند. زیرا این واکنش‌‌ها دارای حالات انطباقی کوانتومی بسیار آشفته‌ای می‌باشند. به عبارت دیگر، هر حالت ذره‌ای را نمی‌توان به صورت مستقل از دیگر ذرات توصیف کرد. این امر مشکلاتی را برای کامپیوترهایی که با مقادیر دو دویی 1s و 0s سر و کار دارند ایجاد می‌کند.

کامپیوتر کوانتومی گوگل بر اساس کیوبیت- بیت (qubit – bit) کار می‌کند. کیوبیت-بیت‌ها می‌توانند در حالتی انطباقی قرار بگیرد که همزمان مقادیر ۱ و ۰ را ارائه می‌کند. مهندسان گوگل، برای راه‌اندازی این شبیه‌سازی از یک مدار کامپیوتری کوانتومی سوپر کول شده استفاده کردند، که به آن خود حل‌کننده کوانتومی متغیر (VQE) می‌گویند. VQE اساسا یک سیستم مدلینگ بسیار پیشرفته است که به وسیله آن تلاش می‌شود برمبنای سطح کوانتومی سیستم عصبی مغز انسان شبیه‌سازی شود.

چنان‌که در نمودار بالا دیده می‌شود، زمانی که نتایج حاصل از VQE با انرژی واقعی آزاد شده مولکول هیدروژن مقایسه شد، منحنی حاصل دقیقا با آن منطبق بود. 

همین‌طور که از شبیه‌سازی شیمیایی کیفی و توصیفی به سوی شبیه‌سازی کوانتومی و قابل پیش‌بینی حرکت می‌کنیم، می‌توانیم این رشته علمی را به صورت چشمگیری مدرنیزه کنیم. برای توصیف این مطلب کوه یخی را در نظر بگیرید که تنها نوک این کوه دیده می‌شود اما حجم عظیمی از آن زیر آب است. ما امروز در گام‌های ابتدایی مدلینگ واقعیت‌های عالم هستی هستیم. گوگل مدعی این است که ما می‌توانیم کاربردهای این‌گونه شبیه‌سازی را در تمام انواع سیستم‌هایی (باتری‌های بهبودیافته، انواع جدیدی از مواد و…) ببینیم که به شیمی مربوط است.

یکی از کاربردهای بالقوه این شبیه‌سازی مدل‌سازی روشی است که باکتری‌ها کود تولید می‌کنند. روشی که انسان‌ها کودهای مورد نیاز خود را تولید می‌کنند، به شدت ناکارآمد است. هم به لحاظ سازگاری با طبیعت و هم به لحاظ قیمت. بنابراین هر گونه بهبودی در فهم واکنش‌های شیمیایی مربوط به این فرآیند می‌تواند دستاوردهای عظیمی به بار آورد.

ما در ابتدای راه شبیه‌سازی کوانتومی هستیم و اگرچه سخت‌افزار گوگل را به عنوان کوانتوم کامپیوتری به منظور ساده‌سازی فرآیندها توصیف کردیم، اما هنوز مبحثی در جریان است که آیا ما کد محاسبات کوانتومی را تاکنون کرک کرده‌ایم یا خیر؟

برخی می‌گویند کامپیوتر گوگل هنوز یک مدل اولیه است. به عبارتی محصول گوگل یک دستگاه پارت کوانتوم کامپیوتر (part-quantum computer) است نه یک کامپیوتر کوانتومی تمام‌عیار. به هر حال در همان حین که دانشمندان درباره این موضوع گفتگو می‌کنند، حداقل ما می‌توانیم شروع به استفاده از مزایای این تکنولوژی کنیم و به آینده‌ای نزدیک چشم بدوزیم که قدرت محاسباتی کامپیوترها تقریبا غیرقابل تصور است.