اخبار کوانتومی – محققان دانشگاه سیدنی اولین شبیه‌سازی کوانتومی دینامیک شیمیایی را گزارش کردند
عنوان خبر: محققان دانشگاه سیدنی اولین شبیه‌سازی کوانتومی دینامیک شیمیایی را گزارش کردند
ژانر/موضوع: شبیه‌سازی کوانتومی، محاسبات کوانتومی
تاریخ انتشار خبر: 15 مه 2025
لینک خبر: The Quantum Insider
چکیده:
پژوهشگران دانشگاه سیدنی برای نخستین بار شبیه‌سازی کوانتومی از دینامیک شیمیایی مولکول‌های واقعی را با استفاده از یک کامپیوتر کوانتومی یون به دام افتاده انجام داده‌اند. آنها با بهره‌گیری از یک روش رمزگذاری هیبریدی بسیار کارآمد که کوبیت ها و مُدهای بوزونی را ترکیب میکند، توانستند تعامل نور با مولکول‌های واقعی مانند آلن، بوتادی‌ین و پیرازین را شبیه‌سازی کنند. این فرآیندهای فوق‌سریع و غیرآدیاباتیک که مدل‌سازی آنها برای رایانه‌های کلاسیک دشوار است، به‌طور دقیق بازسازی شدند. روش کوانتومی آنالوگ آنها تقریباً یک میلیون برابر از نظر منابع کارآمدتر از شبیه‌سازی‌های کوانتومی دیجیتال معمولی بود که به کیوبیت‌ها و گیت‌های زیادی نیاز دارند. این دستاورد امکان ردیابی آنی واکنش‌های فتوشیمیایی را فراهم میکند و زمینه‌ساز شبیه‌سازی فرآیندهای نوری پیچیده در توسعه دارو، انرژی خورشیدی و درمان‌های فتو‌دینامیک است.
شرح کامل خبر:
در یک پیشرفت مهم در زمینه شیمی کوانتومی و شبیه‌سازی، پژوهشگران دانشگاه سیدنی برای نخستین‌بار موفق به انجام شبیه‌سازی کوانتومی از دینامیک های شیمیایی واقعی مولکول‌ها با استفاده از یک رایانه‌ی کوانتومی یونِ به دام‌افتاده شدند. این دستاورد که در مجله‌ی Journal of the American Chemical Society منتشر شده است، گامی بلند در جهت کاربردهای عملی محاسبات کوانتومی در شیمی، زیست‌شناسی و علم مواد به شمار می‌رود؛ چرا که امکان مدل‌سازی فرآیندهای بسیار سریع و پیچیده‌ی مولکولی القاشده توسط نور را فراهم میکند—فرآیندهایی که مدل‌سازی آنها برای رایانه‌های کلاسیک بسیار دشوار و پرهزینه است.
در حالی که مطالعات پیشین عمدتاً به بررسی ویژگی‌های استاتیک (مانند انرژی حالت پایه‌ی مولکول‌ها) محدود شده بودند، این پژوهش به سراغ دینامیک های غیرآدیاباتیک رفته است—فرآیندهای گذرا که شامل کوپلینگ قوی بین حالت‌های الکترونیکی و ارتعاشی پس از جذب فوتون می‌شوند. این نوع فرآیندها برای پدیده‌هایی چون فتوسنتز، آسیب DNA ناشی از تابش فرابنفش و درمان‌های فتودینامیکی در سرطان حیاتی‌اند، اما به‌دلیل پیچیدگی زمانی در مقیاس فمتوثانیه‌ای، تاکنون به‌خوبی درک نشده‌اند.
برای غلبه بر نیاز منابع بسیار زیاد در شبیه‌سازی‌های کوانتومی متداول—که معمولاً به ده‌ها کیوبیت بی‌نقص و صدها هزار گیت درهم‌تنیده نیاز دارند—محققان از یک طرح کدگذاری هیبریدی کوبیت-بوزونی استفاده کرده‌اند. این تکنیک از هر دو درجه آزادی گسسته (مبتنی بر کیوبیت) و پیوسته (بوزونی) در یک سیستم کوانتومی یون به دام افتاده بهره می‌برد و آن را بسیار کارآمدتر میکند. برای مقایسه، اجرای همان شبیه‌سازی با روش‌های دیجیتال به ۱۱ کیوبیت با فیدلیتی بالا و حدود ۳۰۰٬۰۰۰ گیت بی‌نقص نیاز داشت، در حالی‌که روش آنالوگ مورد استفاده در این پژوهش حدود یک میلیون برابر کارآمدتر است.
با این روش، تیم پژوهشی توانست نحوه‌ی پاسخ سه مولکول واقعی—آلن (C₃H₄)، بوتاتری‌ین (C₄H₄) و پایرازین (C₄N₂H₄)—را پس از برانگیختگی نوری شبیه‌سازی کند و سیر زمانی تحول تابع موج آنها را مدل نماید. این شبیه‌سازی با استفاده از ضریب اتساع زمانی (time-dilation factor) ۱۰¹¹ انجام شده است، به‌گونه‌ای که فرآیندهای شیمیایی در مقیاس فمتوثانیه‌ای به‌صورت قابل مشاهده در بازه‌های زمانی میلی‌ثانیه‌ای در دسترس قرار می‌گیرند. جالب‌تر اینکه، همین تنظیمات آزمایشگاهی، دینامیک سیستم باز معمول در شیمی فاز چگال را نیز مدل‌سازی کرد و تطبیق‌پذیری پروتکل را نشان داد.
این پژوهش که بر پایه‌ی مطالعات قبلی این گروه در سال ۲۰۲۳ انجام شده، اکنون گامی فراتر نهاده و مولکول‌های واقعی و شیمیایی را در شبیه‌سازی در نظر گرفته است. نتایج نه تنها نشان‌دهنده‌ی توانمندی معماری‌های یون به دام‌افتاده برای شبیه‌سازی شیمیایی است، بلکه ثابت میکند که واکنش‌های نوری پیچیده، که تا پیش از این فراتر از توان محاسباتی بودند، اکنون در دسترس سخت‌افزارهای کوانتومی در آینده‌ی نزدیک قرار دارند.
در نهایت، این پیشرفت می‌تواند راه را برای بهره‌گیری از شبیه‌سازی کوانتومی در کشف داروهای جدید، طراحی سلول‌های خورشیدی کارآمدتر و توسعه‌ی مواد فوتواکتیو نوین هموار کند؛ آینده‌ای که در آن فرآیندهای شیمیایی سریع و پیچیده با دقتی بی‌سابقه درک و مهندسی خواهند شد.
منابع:
[1] https://thequantuminsider.com/2025/05/15/university-of-sydney-researchers-report-first-ever-quantum-simulation-of-chemical-dynamics/
[2] https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c03336
دیدگاه خود را درباره این خبر با ما به اشتراک بگذارید.
