IBM با استفاده از کامپیوترهای کوانتومی واکنش های شیمیایی را شبیه سازی می کند

کمپانی IBM از رویکرد جدیدی برای شبیه‌سازی مولکول‌ها با استفاده از کامپیوترهای کوانتومی پرده برداشته است. این پیشرفت می‌تواند علم مواد و شیمی را متحول کند. IBM در ژورنال nature گفته است که این رویکرد جدید درک بشر را از واکنش‌های شیمیایی پیچیده افزایش خواهد داد. این پیشرفت می‌تواند به توسعه‌ی برنامه‌های کاربردی علمی مانند ساخت مواد جدید، توسعه‌ی داروهای شخصی‌سازی شده و کشف منابع انرژی کارآمد و پایدار کمک کند.

محاسبات کوانتومی جای پیشرفت و امیدواری زیادی دارد؛ زیرا این روش جدید برای انجام محاسبات از بیت‌های کوانتومی یا کوبیت‌ها استفاده می‌کند. برخلاف بیت‌های معمولی یک کوبیت می‌تواند «صفر» «یک» یا هر دوی آن‌ها باشد. با استفاده از این کوبیت‌ها، دستگاه‌ها قادرند تعداد زیادی محاسبات را به صورت همزمان انجام دهند و منجر به ساخت یک کامپیوتر کوانتومی با توانایی انجام پردازش‌های خاص با کارایی بسیار بالا شوند. ‫IBM سال‌هاست که در رابطه با محاسبات کوانتومی تحقیقاتی را انجام می‌دهد و اکنون شروع به انتشار گزارشات خود از پیشرفت‌های رخ‌داده کرده است.

داریو گیل، معاون پژوهشی تحقیقاتی هوش مصنوعی و آی‌بی‌ام کیو در مرکز تحقیقاتی IBM می‌گوید:

با تشکر از برنده‌ی جایزه نوبل، ریچارد فاینمن، عمومی‌ترین چیزی که در مورد کوانتوم می‌دانیم این است که کوانتوم طبیعتی مکانیکی دارد. این همان چیزیست که تحقیقات اخیر ما آن را ثابت می‌کند. ما قادر به استفاده از کامپیوتر‌های کوانتومی برای افزایش دانش بشر در مورد پدیده‌های طبیعی در جهان هستیم. پیش‌بینی می‌کنیم در چند سال آینده ظرفیت و توانایی سیستم‌های آی‌بی‌ام کیو از کامپیوترهای مرسوم امروزی پیشی بگیرد و به عنوان یک ابزار برای متخصصان در زمینه‌هایی مانند شیمی، زیست‌شناسی، بهداشت و علوم مواد به کار گرفته شود.

برای کمک به نشان دادن این‌ موضوع که کامپیوتر‌های کوانتومی چگونه در حال شبیه‌سازی مولکول‌ها هستند؛ توسعه‌دهندگان و کاربران آی‌بی‌ام کیو در حال حاضر قادر به دسترسی به سایت منبع باز «Jupyter Notebook» در زمینه شیمی کوانتوم هستند. از طریق دسترسی به ابزار منبع باز «QISKit github repo»، کاربران می‌توانند شبیه‌سازی‌هایی را برای مولکول‌های کوچک مانند هیدروژن و لیتیوم هیدرید انجام دهند. سال گذشته کمپانی آی‌بی‌ام، تجربه‌ی استفاده از آی‌بی‌ام کیو را با استفاده از یک کامپیوتر کوانتومی پنج بیتی در محیطی ابری و با دسترسی رایگان در اختیار عموم مردم قرار داد. این کمپانی با به‌روزرسانی پردازنده و استفاده از یک پردازنده ۱۶ کوبیتی، تجربه‌ی استفاده از آن را به صورت دسترسی بتا در اختیار کاربران قرار داده است.

آلن اسپورو-گوزیک، استاد شیمی و زیست شناسی در دانشگاه هاروارد در بیانیه‌ای گفته است:

تیم‌ آی‌بی‌ام اخیرا چندین آزمایش انجام داده است و به وسیله‌ی این آزمایشات توانسته است بزرگ‌ترین مولکولی را که تاکنون بر روی یک کامپیوتر کوانتومی شبیه‌سازی شده است را شبیه‌سازی کند. زمانی که کامپیوتر‌های کوانتومی قادر به شبیه‌سازی مواد شیمیایی با روش عددی دقیق هستند، احتمالاً هنگامی که در حال اصلاح خطا روی کوبیت‌های منطقی با تعداد زیاد هستیم کار مختل خواهد شد. برای پیش‌بینی‌های دقیق (Exact) باید مولکول‌ها به‌گونه‌ای طراحی شوند که نیازمند انجام کالیبراسیون هنگام آزمایش نباشند. این کار ممکن است منجر به کشف داروهای جدید و مولکولی کوچک یا مواد آلی شود.

شیمی یک نمونه از مجموعه‌ی وسیعی از مسائل است که می تواند توسط کامپیوتر‌های کوانتومی و با الگوریتم‌های مناسب مورد تجزیه و تحلیل قرار گیرد. همچنین، کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند روش‌های بهینه‌سازی پیچیده را بررسی کنند. آن‌ها حتی می‌توانند در شاخه‌ای از یادگیری ماشین و هوش مصنوعی که مبتنی بر الگوریتم‌های بهینه‌سازی است کمک‌های شایانی کنند. در ابتدای سال جاری میلادی، دانشمندان کمپانی آی‌بی‌ام و مشارکت کنندگان نشان دادند که پیشرفت‌های قابل تعریفی برای الگوریتم‌های یادگیری ماشین از نوع قطعی روی کامپیوترهای کوانتومی وجود دارد.

به عنوان مثالی برای برنامه‌های کاربردی کوانتومی در آینده، آی‌بی‌ام، بخش‌های قطعی یک مسئله را در یک ماشین معمولی قرار می‌دهد در حالی‌که اکثر محاسبات دشوار و پیچیده در یک کامپیوتر کوانتومی به صورت آفلاین بارگذاری می‌شود. این روش نشان‌دهنده‌ی این است که چگونه صنعت و تجارت قادر به استفاده از کامپیوترهای کوانتومی و قدرت محاسباتی این سیستم‌ها، در کنار زیرساخت‌ها و فناوری‌های موجود خواهند بود. به عنوان نقطه‌ای برای شروع، توسعه‌دهندگان، برنامه نویسان و محققان می‌توانند الگوریتم‌های کوانتومی را اجرا کنند و با تک بیت‌های کوانتومی کار کنند و با استفاده از امکانات آی‌بی‌ام کیو، شبیه‌سازی‌ها و آموزش‌های خود را انجام دهند. علاوه بر این شرکای تجاری آی‌بی‌ام، در حال تحقیق بر روی کاربردهای دیگری از کامپیوترهای کوانتومی خارج از مرزهای این شرکت هستند.