اخبار کوانتومی – شبیه‌سازی فرمیون‌ها با استفاده از کامپیوترهای کوانتومی
عنوان خبر: شبیه‌سازی فرمیون‌ها با استفاده از کامپیوترهای کوانتومی
ژانر/موضوع: محاسبات کوانتومی، شبیه‌سازی کوانتومی
تاریخ انتشار خبر: 3 فوریه 2025
لینک خبر: the Quantum Insider
چکیده:
محققان هاروارد، MIT و شرکت QuEra Computing پیشرفت قابل توجهی در شبیه‌سازی‌های کوانتومی با مدل‌سازی سیستم‌های فرمیونی روی کامپیوترهای کوانتومی داشته‌اند. آن‌ها معماری شبیه‌سازی کوانتومی دیجیتالی توسعه دادند که از آرایه‌های اتمی قابل پیکربندی مجدد برای شبیه‌سازی رفتارهای پیچیده فرمیون‌ها استفاده می‌کند و چالش تعاملات غیرمحلی را برطرف می‌کند. با بهره‌گیری از مدل شبکه لانه‌زنبوری کیتائف، آن‌ها رفتار فرمیونی را روی کیوبیت‌ها نگاشتند و فاز مایع اسپینی غیرآبلی را با عدد Chern number شناسایی کردند که برای محسبات کوانتومی مقاوم مهم است.
این تیم از پلتفرم ۱۰۴ کیوبیتی اتم‌های خنثی و مهندسی Floquet برای کنترل دینامیک‌های فرمیونی و آماده‌سازی مایعات اسپینی توپولوژیکی استفاده کرد. چالش‌های مقیاس‌پذیری و خطاهای کوانتومی همچنان باقی است و تحقیقات آینده به شبیه‌سازی‌های گسترده‌تر و سیستم‌های پیچیده کوانتومی خواهد پرداخت.
شرح کامل خبر:
در یک مطالعه پیشگامانه، پژوهشگرانی از دانشگاه هاروارد، MIT و شرکت QuEra Computing Inc مرزهای شبیه‌سازی‌های کوانتومی را با مدل‌سازی سیستم‌های فرمیونی با استفاده از رایانه‌های کوانتومی گسترش داده‌اند. این دستاورد نویدبخش بینش‌های تحول‌آفرین در علم مواد، شیمی و فیزیک انرژی بالا است.
این تیم یک معماری شبیه‌سازی کوانتومی دیجیتال توسعه داد که از آرایه‌های اتمی قابل پیکربندی مجدد برای شبیه‌سازی رفتارهای پیچیده فرمیون‌ها—ذراتی مانند الکترون‌ها، پروتون‌ها و نوترون‌ها که از اصل طرد پائولی پیروی می‌کنند—استفاده می‌کند. شبیه‌سازی این ذرات به دلیل تعاملات غیرمحلی آن‌ها، که تغییرات در یک ناحیه می‌تواند بر بخش‌های دوردست سیستم تأثیر بگذارد، دشوار است.
برای غلبه بر این چالش، پژوهشگران از مدل شبکه لانه‌زنبوری کیتائف (Kitaev’s honeycomb lattice model) استفاده کردند، چارچوبی ریاضی که برای مطالعه فازهای کوانتومی عجیب مانند مایعات اسپینی ایده‌آل است. این مدل امکان نگاشت رفتار فرمیونی روی کیوبیت‌ها را با استفاده از حالت‌های درهم‌تنیدگی دوربرد برای شبیه‌سازی کارآمد سیستم‌های با برهم‌کنش قوی فراهم می‌کند. این مطالعه به طور قابل توجهی وجود یک فاز مایع اسپینی غیرآبلی (non-Abelian spin liquid) را تأیید کرد که با یک عدد چرنِ (Chern number) فرد—یک اثر انگشت ریاضیاتی از نظم توپولوژیکی—شناسایی می‌شود. حالت‌های غیرآبلی منحصر به فرد هستند زیرا نتیجه تعاملات ذرات به ترتیب تعویض آن‌ها بستگی دارد و این ویژگی آن‌ها را برای محسبات کوانتومی مقاوم ارزشمند می‌کند.
با استفاده از یک پلتفرم محاسبات کوانتومی اتم‌های خنثی با ۱۰۴ کیوبیت اتمی که در یک شبکه لانه‌زنبوری قابل پیکربندی مجدد قرار گرفته‌اند، تیم تحقیقاتی از مهندسی فلوکه (Floquet) برای کنترل دقیق دینامیک‌های فرمیونی بهره گرفت. این تکنیک که شامل تحریک دوره‌ای برای دستکاری حالت‌های کوانتومی است، امکان آماده‌سازی و تأیید حالت‌های کم‌انرژی، از جمله مایعات اسپینی توپولوژیکی با ویژگی‌های عجیب مانند برانگیختگی‌های کسری (fractionalized excitations) را فراهم کرد.
با وجود این پیشرفت‌ها، چالش‌هایی همچنان باقی است. خطاهای کوانتومی و مسائل مقیاس‌پذیری پابرجا هستند و بهبودهای سخت‌افزاری و تکنیک‌های تصحیح خطا را ضروری می‌سازند. تحقیقات آینده بر گسترش مقیاس شبیه‌سازی‌ها و کاربرد این روش‌ها در سیستم‌های پیچیده کوانتومی دیگر، از جمله نظریه‌های lattice gauge theories و مدل‌های گرانش کوانتومی، متمرکز خواهد بود که می‌تواند به کشف‌های جدیدی در درک نیروهای بنیادی فیزیکی منجر شود.
منابع:
[2] https://arxiv.org/html/2501.18554v1
دیدگاه خود را درباره این خبر با ما به اشتراک بگذارید.
