طراحی کامپیوتر کوانتومی نوین برای شناخت ویژگی‌های مولکول

شیوه‌ی استاندارد برای ساختن یک‌کامپیوتر کوانتومی که در آن از ذره مایورانا به‌عنوان پایه استفاده می‌شود، تبدیل مایورانا به کیوبیت است. این درحالی است، که اجرای یک سازوکار صحیح محاسبه‌ی کوانتومی (رایانش کوانتومی) نیازمند تبدیل این کیوبیت‌ها به ذراتی به‌نام فرمیون است. فیزیکدان‌هایی از دانشگاه‌های لیدن و دلف هلند، روی ایده‌‌ی تبدیل مستقیم ذره‌ی مایورانا به ذره‌ی فرمیون کار و پژوهش کردند، تا بدین صورت محاسبات بهینه‌تر شود. پژوهش آنان در ژورنال Physical Review Letters منتشر شده‎است.

هرچیزی که در جهان اطراف خود مشاهده می‌کنیم از ماده یا انرژی ساخته‌شده‌است. انرژی شامل تنها یک‌‌نوع ذره به‌نام بوزون است. ماده شامل ذره‌ی بنیادی دیگری به‌نام فرمیون است. یکی از اصلی‌ترین پرسش‌ها در علم، پیش‌بینی ویژگی‌های ماده در سطح مولکولی است، چرا که مولکول‌ها از قوانین مکانیک‌کوانتومی پیروی می‌کنند. این بخش از علم شیمی کوانتومی نام دارد. اجرای شبیه‌سازی کارآمد شیمی کوانتومی، امری فراتر از توان کامپیوترهای امروزی است، اما کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند، جانشینی امیدوارکننده‌ای برای انجام این عملیات باشند. در کامپیوترهای کوانتومی به‌جای بیت (که واحد استاندارد کامپیوترهای امروزی است) از کیوبیت استفاده می‌شود، که در حقیقت بوزون‌ها هستند. باتوجه به تفاوت ماهیت ذرات بوزون و فرمیون، تلاش برای محاسبه‌ی ماده (فرمیون) با استفاده از کیوبیت (بوزون) ناکارآمد است!

مایارونا

یک جایگزین عجیب‌وغریب برای ساخت کیوبیت‌ها، استفاده از مُد صفر ذره مایارونا است. این ذرات مقاومت ذاتی بالایی در برابر اختلالات دارند. محاسابات کوانتومی به‌وسیله‌ی ذرات مایورانا، در گذشته به‌روش گنجاندن ۴ یا ۶ ذره‌ی مایورانا درون یک کیوبیت انجام می‌شد. اما الزامی برای قرار دادن مایارونا در داخل کیوبیت وجود ندارد.

تام اُ براین فیزیکدان دانشگاه لیدن و پیتر روزک و آنتون اخمروف فیزیکدان‌های دانشگاه دلف، برای حل مسائل شیمی کوانتومی روشی جدید طراحی کردند. در این سازوکار ذرات مایارونا به‌صورت مستقیم به فرمیون‌ها تبدیل می‌شوند. این شیوه قطعا یک موفقیت برد-برد است، چرا که در این سازوکار برای شبیه‌سازی همان مولکول سابق، نیاز به ذرات مایارونا کمتری است. می‌توان با قرار دادن تنها ۲ مایارونا به یک فرمیون دست یافت، درحالی‌که در گذشته باید ۴ یا ۶ عدد مایارونا را در داخل یک کیوبیت قرار می‌دادیم. همچنین این طرح پیچیدگی‌های استفاده از بوزون (کیوبیت) برای شبیه‌سازی فرمیون‌ها (ماده) را دور می‌زند و بنابراین ما با الگوریتمی ساده‌تر و درعین حال واضح‌تر روبه‌رو هستیم!