بزرگترین شبیهسازی کوانتومی دیجیتال تا به امروز، بر روی سختافزار IBM انجام شد
عنوان خبر: بزرگترین شبیهسازی کوانتومی دیجیتال تا به امروز، بر روی سختافزار IBM انجام شد
ژانر/موضوع: محاسبات کوانتومی، شبیهسازی کوانتومی، فیزیک هستهای
تاریخ انتشار خبر: 19 نوامبر 2025
لینک خبر: sciencedaily.com
چکیده:
پژوهشگران مورد حمایت وزارت انرژی آمریکا بزرگترین شبیهسازی کوانتومی دیجیتال اجراشده بر روی پردازندههای کوانتومی IBM را انجام دادهاند و یک چارچوب مقیاسپذیر برای مدلسازی پدیدههای فیزیک ذرات ارائه کردهاند؛ پدیدههایی که حتی قدرتمندترین اَبَررایانههای کلاسیک نیز از حل آنها ناتواناند. این کار بر پایهٔ یک مدل یکبعدی #الکترودینامیک_کوانتومی (QED) انجام شده است—مدلی سادهسازیشده اما قدرتمند که برای بررسی نیروهای حاکم بر برهمکنشهای ذرات استفاده میشود. در این مدل، تیم پژوهشی توانست حالتهای خلأ (پایینترین حالت انرژی میدان کوانتومی) را آماده کند و پالسهای هادرونی تولید کند؛ پالسهایی که بستههای موضعی انرژی هستند و رفتار هادرونها—مانند پروتون و نوترون—را زمانی که در برخورددهندهها ایجاد یا جابجا میشوند، تقلید میکنند. پژوهشگران ابتدا با استفاده از رایانههای کلاسیک، مدارهای کوانتومی بهینه برای سامانههای کوچک را طراحی کردند. سپس با بهرهگیری از تقارنها و سلسلهمراتبهای مقیاسی موجود در مدل، این مدارها را تا بیش از ۱۰۰ کیوبیت گسترش دادند—مقیاسی که فراتر از توان محاسباتی روشهای کلاسیک است. هنگامی که این مدارها روی سختافزار کوانتومی #IBM اجرا شد، توانستند ویژگیهای #حالت_خلأ را با دقت در حد چند درصد (percent-level) بازتولید کنند و پالسهای هادرونی پایداری بسازند که قابلیت تحول دینامیکی دارند؛ قابلیتی که برای مطالعهٔ رفتار ماده در شرایط فوقالعاده شدید ضروری است.
شرح کامل خبر:
دانشمندان گامی مهم در استفاده از محاسبات کوانتومی برای مطالعهٔ رفتار ماده در سختترین و افراطیترین شرایط طبیعی برداشتهاند؛ شرایطی که در آن حتی قدرتمندترین ابررایانههای کلاسیک نیز قادر به انجام محاسبات لازم نیستند. در فیزیک هستهای و فیزیک ذرات، مدل استاندارد چارچوب ریاضی لازم برای توصیف کنشهای بنیادی، از جمله نیروی قوی که کوارکها را درون پروتون و نوترون نگه میدارد، فراهم میکند.
اما هنگامی که این معادلات برای شرایطی با تغییرات سریع، چگالیهای بسیار بالا یا تحولات غیرتعادلی بهکار میروند، پیچیدگی محاسباتی بهصورت نمایی افزایش یافته و محاسبهٔ رفتار کامل کوانتومی سیستم عملاً غیرممکن میشود. محاسبات کوانتومی جایگزینی امیدبخش است؛ زیرا دستگاههای کوانتومی میتوانند حالتهای کوانتومی را بهطور ذاتی و با منابع بسیار کمتر بازنمایی کنند. با این حال، یک مانع اساسی همواره وجود داشته است: آمادهسازی حالت اولیه.
برای شبیهسازی فرایندهایی مانند برخورد ذرات، رایانهٔ کوانتومی باید از حالتی آغاز کند که دقیقاً همان حالت اولیهٔ سیستم فیزیکی باشد، اما ایجاد چنین حالتی در ابعاد بزرگ یکی از دشوارترین مراحل شبیهسازی دیجیتال کوانتومی است. در این پژوهش، فیزیکدانان هستهای برای نخستین بار مدارهای کوانتومی مقیاسپذیری طراحی کردهاند که میتوانند حالتهای اولیهٔ لازم برای شبیهسازی برهمکنشهای ذرات—مشابه برخوردهایی که در شتابدهندههای ذرات رخ میدهد—را بهطور قابلاعتماد آماده کنند.
تمرکز آنها بر سامانههایی است که تحت تأثیر نیروی قوی قرار دارند؛ بخشی از مدل استاندارد که به دلیل همبستگیهای شدید میان ذرات، محاسبات آن از دشوارترین حوزهها محسوب میشود. پژوهشگران برای آغاز کار، نسخههای کوچکتری از سیستم را روی رایانههای کلاسیک مطالعه کردند. این کار به آنها اجازه داد اجزای مدار را طوری طراحی کنند که ساختارهای فیزیکی مهم—از جمله تقارنها و تفاوت مقیاسهای طولی در نظریههای میدان کوانتومی—بهدرستی بازنمایی شود. این الگوها به طراحی الگوریتمهایی منجر شد که ضمن حفظ همبستگیهای محلی، با بزرگ شدن اندازهٔ سیستم همچنان مقیاسپذیر باقی میمانند.
پس از اعتبارسنجی این اجزا در سیستمهای کوچک، پژوهشگران مدارها را توسعه دادند و روی سختافزار کوانتومی IBM اجرا کردند؛ شبیهسازیهایی که در نهایت شامل بیش از ۱۰۰ کیوبیت شد و بزرگترین شبیهسازی دیجیتال کوانتومی گزارششده تاکنون به شمار میرود. استفاده از این مدارها به تیم تحقیقاتی امکان داد حالت خلأ کوانتومی (نسخهٔ یکبعدی الکترودینامیک کوانتومی) را با دقتی در سطح درصد بازسازی کرده و ویژگیهای فیزیکی آن را استخراج کند. آنها همچنین پالسهای موضعی هادرون ایجاد کرده و تحول زمانی آنها را شبیهسازی کردند تا انتشارشان در فضا-زمان دنبال شود.
نتایج نشان داد که این روش قادر است حالتهای اولیهٔ مربوط به برخوردهای ذرات، مادهٔ هستهای بسیار چگال و پرتوهای هادرونی را مدلسازی کند—سامانههایی که شبیهسازی آنها برای روشهای کلاسیک بسیار دشوار یا حتی غیرممکن است. از آنجا که این مدارها ساختار مقیاسپذیری دارند، مسیر تازهای برای شبیهسازی فیزیک در چگالیهای بالا ایجاد میکنند؛ از جمله شرایطی که ممکن است به حل پرسشهای بنیادی کمک کند، مانند دلیل غالب بودن ماده بر پادماده در جهان، چگونگی شکلگیری عناصر سنگین در ابرنواخترها، و رفتار ماده در چگالیهای فوقالعاده بالا مانند درون ستارگان نوترونی. افزون بر این، همین تکنیکها میتوانند برای مدلسازی مواد کوانتومی عجیب با رفتارهای همبستهٔ نامعمول نیز کاربرد داشته باشند.
این پروژه با حمایت نهادهای مختلف وزارت انرژی آمریکا، از جمله ادارهٔ علوم، دفتر فیزیک هستهای و مرکز Quantum Science Center انجام شد. همچنین از توان محاسباتی مرکز محاسبات پیشرفتهٔ اوکریج و ابررایانهٔ Hyak دانشگاه واشینگتن استفاده شد، و اجرای شبیهسازیهای مقیاس بزرگ با بهرهگیری از سامانههای IBM Quantum صورت گرفت.
منابع:
[1] https://www.sciencedaily.com/releases/2025/11/251118220104.htm
[2] https://thequantuminsider.com/2025/11/21/doe-quantum-simulations-ibm/
دیدگاه خود را درباره این خبر با ما به اشتراک بگذارید.
