کامپیوتر و ریاضی با علی رضا نقش

در این عکس از یک کریستال شبیه‌ساز کوانتومی، یون‌ها در حال فلورسانس هستند ، که نشان می‌دهد کیوبیت‌ها همه در یک حالت هستند (یا "1" یا "0"). در شرایط آزمایشی مناسب، کریستال یونی به طور خود به خود این ساختار شبکه مثلثی تقریباً کامل را تشکیل می دهد. اعتبار: Britton/NIST

تصویر شبیه ساز کوانتومی یون به دام افتاده: قلب شبیه ساز یک کریستال دو بعدی از یون های بریلیم است (کره های آبی در تصویر). بیرونی ترین الکترون هر یون یک بیت کوانتومی است (کیوبیت، فلش های قرمز). یون ها توسط یک میدان مغناطیسی بزرگ در دستگاهی به نام تله پنینگ (نشان داده نشده) محدود می شوند. در داخل تله، کریستال در جهت عقربه های ساعت می چرخد. اعتبار: Britton/NIST

شبیه سازهای کوانتومی امکان مطالعه یک سیستم کوانتومی را به روشی قابل برنامه ریزی فراهم می کنند. در این مثال، شبیه‌سازها دستگاه‌هایی با هدف ویژه هستند که برای ارائه بینش در مورد مسائل فیزیک خاص طراحی شده‌اند . [1] [2] [3] شبیه‌سازهای کوانتومی ممکن است با رایانه‌های کوانتومی "دیجیتال" قابل برنامه‌ریزی کلی مقایسه شوند ، که می‌توانند کلاس وسیع‌تری از مسائل کوانتومی را حل کنند.

یک شبیه ساز کوانتومی جهانی یک کامپیوتر کوانتومی است که توسط یوری مانین در سال 1980 [4] و ریچارد فاینمن در سال 1982 پیشنهاد شد. بتواند اثر کوانتومی مورد نیاز را تقلید کند. [5] [6]

یک سیستم کوانتومی متشکل از ذرات بسیاری را می توان توسط یک کامپیوتر کوانتومی با استفاده از تعدادی بیت کوانتومی مشابه تعداد ذرات در سیستم اصلی شبیه سازی کرد. [5] این به کلاس های بسیار بزرگتری از سیستم های کوانتومی گسترش یافته است. [7] [8] [9] [10]

شبیه‌سازهای کوانتومی بر روی تعدادی از پلتفرم‌های آزمایشی، از جمله سیستم‌های گازهای کوانتومی فوق‌سرد ، مولکول‌های قطبی، یون‌های به دام افتاده، سیستم‌های فوتونیک، نقاط کوانتومی و مدارهای ابررسانا ساخته شده‌اند. [11]

حل مسائل فیزیک [ ویرایش ]

بسیاری از مسائل مهم در فیزیک، به‌ویژه فیزیک دمای پایین و فیزیک بدن‌های متعدد ، به خوبی درک نشده‌اند، زیرا مکانیک کوانتومی زیربنایی بسیار پیچیده است. کامپیوترهای معمولی، از جمله ابررایانه‌ها، برای شبیه‌سازی سیستم‌های کوانتومی با 30 ذره کافی نیستند، زیرا ابعاد فضای هیلبرت به طور تصاعدی با تعداد ذرات افزایش می‌یابد. [6] ابزارهای محاسباتی بهتری برای درک و طراحی منطقی موادی لازم است که خواص آنها به رفتار کوانتومی جمعی صدها ذره بستگی دارد. [2] [3]شبیه سازهای کوانتومی یک مسیر جایگزین برای درک ویژگی های این سیستم ها ارائه می دهند. این شبیه سازها تحقق تمیزی از سیستم های خاص مورد علاقه را ایجاد می کنند که امکان تحقق دقیق ویژگی های آنها را فراهم می کند. کنترل دقیق و تنظیم گسترده پارامترهای سیستم اجازه می دهد تا تأثیر پارامترهای مختلف به طور تمیز از هم جدا شود.

شبیه‌سازهای کوانتومی می‌توانند مسائلی را حل کنند که شبیه‌سازی آنها در رایانه‌های کلاسیک دشوار است، زیرا مستقیماً از ویژگی‌های کوانتومی ذرات واقعی بهره‌برداری می‌کنند. به طور خاص، آنها از ویژگی مکانیک کوانتومی به نام برهم نهی استفاده می کنند ، که در آن یک ذره کوانتومی به طور همزمان در دو حالت مجزا قرار می گیرد، به عنوان مثال، هم تراز و ضد تراز با یک میدان مغناطیسی خارجی. مهمتر از همه، شبیه سازها همچنین از ویژگی کوانتومی دوم به نام درهم تنیدگی بهره می برند ، که اجازه می دهد رفتار حتی ذرات به خوبی جدا شده از نظر فیزیکی همبستگی داشته باشد. [2] [3] [12]

اخیراً از شبیه سازهای کوانتومی برای به دست آوردن کریستال های زمان [13] [14] و مایعات اسپین کوانتومی استفاده شده است. [15] [16]

شبیه سازهای یون به دام افتاده [ ویرایش ]

سیستم مبتنی بر تله یونی یک محیط ایده آل برای شبیه سازی برهمکنش ها در مدل های اسپین کوانتومی ایجاد می کند. [17] یک شبیه‌ساز یون به دام افتاده ، ساخته شده توسط تیمی که شامل NIST می‌شود، می‌تواند برهم‌کنش‌های بین صدها بیت کوانتومی (کیوبیت) را مهندسی و کنترل کند. [18] تلاش های قبلی قادر به فراتر رفتن از 30 بیت کوانتومی نبودند. توانایی این شبیه ساز 10 برابر بیشتر از دستگاه های قبلی است. این یک سری از آزمون‌های معیاری مهم را گذرانده است که نشان‌دهنده توانایی حل مسائلی در علم مواد است که مدل‌سازی آنها بر روی رایانه‌های معمولی غیرممکن است.

شبیه ساز یون به دام افتاده از یک کریستال کوچک و تک صفحه ای متشکل از صدها یون بریلیم با قطر کمتر از 1 میلی متر تشکیل شده است که درون دستگاهی به نام تله پنینگ معلق است . بیرونی ترین الکترون هر یون به عنوان یک آهنربای کوانتومی کوچک عمل می کند و به عنوان یک کیوبیت، معادل کوانتومی "1" یا "0" در یک کامپیوتر معمولی استفاده می شود. در آزمایش محک زدن، فیزیکدانان از پرتوهای لیزر برای خنک کردن یون ها تا نزدیک به صفر مطلق استفاده کردند. پالس های مایکروویو و لیزر با دقت زمان بندی شده اندسپس باعث شد کیوبیت ها برهم کنش داشته باشند و رفتار کوانتومی مواد را تقلید کنند، در غیر این صورت مطالعه در آزمایشگاه بسیار دشوار است. اگرچه ممکن است این دو سیستم از نظر ظاهری متفاوت به نظر برسند، اما رفتار آنها طوری مهندسی شده است که از نظر ریاضی یکسان باشد. به این ترتیب، شبیه‌سازها به محققان اجازه می‌دهند پارامترهایی را که در جامدات طبیعی تغییر نمی‌کنند، مانند فاصله شبکه اتمی و هندسه، تغییر دهند.

Friedenauer و همکاران، 2 اسپین را به صورت آدیاباتیک دستکاری کردند و جدایی آنها را به حالت فرومغناطیسی و ضد فرومغناطیسی نشان دادند. [19] کیم و همکاران، شبیه‌ساز کوانتومی یون به دام افتاده را به 3 اسپین گسترش دادند، با برهمکنش‌های ایزینگ ضد فرومغناطیسی جهانی که شامل سرخوردگی و نشان دادن پیوند بین سرخوردگی و درهم‌تنیدگی بود [20] و اسلام و همکاران، از شبیه‌سازی کوانتومی آدیاباتیک برای نشان دادن تیز کردن استفاده کردند. از یک انتقال فاز بین نظم پارامغناطیس و فرومغناطیسی با افزایش تعداد اسپین ها از 2 به 9. [21] Barreiro et al. یک شبیه‌ساز کوانتومی دیجیتال از چرخش‌های برهمکنش با حداکثر 5 یون به دام افتاده با جفت شدن به یک مخزن باز [22] و Lanyon و همکارانش ایجاد کردند.شبیه سازی کوانتومی دیجیتال با حداکثر 6 یون را نشان داد. [23] اسلام، و همکاران، شبیه‌سازی کوانتومی آدیاباتیک مدل Ising عرضی را با برهمکنش‌های برد متغیر (طولانی) با حداکثر 18 اسپین یونی به دام افتاده نشان دادند، که کنترل سطح سرخوردگی اسپین را با تنظیم محدوده برهم‌کنش ضد فرومغناطیسی نشان داد. [24] بریتون و همکاران. از NIST به طور تجربی برهمکنش های Ising را در یک سیستم صدها کیوبیت برای مطالعات مغناطیس کوانتومی محک زده است. [18] پاگانو، و همکاران، یک سیستم جدید به دام انداختن یون برودتی را گزارش کردند که برای ذخیره طولانی مدت زنجیره های یونی بزرگ طراحی شده است که عملیات منسجم یک و دو کیوبیت را برای زنجیره های تا 44 یون نشان می دهد. [25]جوشی و همکاران، دینامیک کوانتومی 51 یون کنترل شده را بررسی کردند و یک زنجیره چرخشی برهم کنش دوربرد را کشف کردند. [26]

شبیه سازهای اتم فوق سرد [ ویرایش ]

بسیاری از آزمایش های اتم فوق سرد نمونه هایی از شبیه سازهای کوانتومی هستند. اینها شامل آزمایش‌هایی برای مطالعه بوزون‌ها یا فرمیون‌ها در شبکه‌های نوری ، گاز فرمی واحد، آرایه‌های اتم ریدبرگ در موچین‌های نوری است. یک موضوع مشترک برای این آزمایش ها، توانایی تحقق همیلتونی های عمومی، مانند هابارد یا ایزینگ همیلتونین با میدان عرضی است . اهداف اصلی این آزمایش‌ها شامل شناسایی فازهای دمای پایین یا ردیابی دینامیک خارج از تعادل برای مدل‌های مختلف است، مشکلاتی که از نظر تئوری و عددی غیرقابل حل هستند. [27] [28]آزمایش‌های دیگر مدل‌های ماده متراکم را در رژیم‌هایی که تحقق آنها با مواد معمولی دشوار یا غیرممکن است، مانند مدل Haldane و مدل Harper-Hofstadter، محقق کرده‌اند . [29] [30] [31] [32] [33]

کیوبیت های ابررسانا [ ویرایش ]

شبیه سازهای کوانتومی با استفاده از کیوبیت های ابررسانا به دو دسته اصلی تقسیم می شوند. اول، به اصطلاح آنیل‌کننده‌های کوانتومی ، وضعیت پایه برخی از هامیلتون‌ها را پس از یک رمپ آدیاباتیک تعیین می‌کنند. این رویکرد گاهی اوقات محاسبات کوانتومی آدیاباتیک نامیده می شود . دوم، بسیاری از سیستم‌ها همیلتونی‌های خاص را شبیه‌سازی می‌کنند و ویژگی‌های حالت پایه، انتقال فاز کوانتومی، یا دینامیک زمانی آنها را مطالعه می‌کنند. [34] چندین نتیجه مهم اخیر شامل تحقق یک عایق Mott در یک سیستم بوز-هابارد اتلاف‌پذیر محرکه و مطالعات انتقال فاز در شبکه‌های تشدیدگرهای ابررسانا همراه با کیوبیت است. [35] [36]

همچنین ببینید