مُحاكي الكم

تسمح المحاكيات الكمومية بدراسة نظام كمي بطريقة قابلة للبرمجة. في هذه الحالة، المحاكيات هي أجهزة ذات غرض خاص مصممة لتوفير نظرة ثاقبة حول مشاكل فيزيائية محددة . ^{[1] [2] [3]} يمكن مقارنة المحاكيات الكمومية بأجهزة الكمبيوتر الكمومية "الرقمية" القابلة للبرمجة بشكل عام ، والتي ستكون قادرة على حل فئة أوسع من المشاكل الكمومية.

محاكي الكم الشامل هو حاسوب كمي اقترحه يوري مانين في عام 1980 ^[4] وريتشارد فاينمان في عام 1982. ^[5]

يمكن محاكاة نظام كمي إما بواسطة آلة تورينج أو آلة تورينج الكمومية ، حيث أن آلة تورينج الكلاسيكية قادرة على محاكاة حاسوب كمي عالمي (وبالتالي أي محاكي كمي أبسط)، مما يعني أنها متكافئة من وجهة نظر نظرية الحوسبة . لقد ثبت أن محاكاة الفيزياء الكمومية بواسطة حاسوب كلاسيكي غير فعالة. ^[6] بعبارة أخرى، لا توفر أجهزة الكمبيوتر الكمومية أي قوة إضافية على أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية من حيث الحوسبة، ولكن يُشتبه في أنها يمكن أن تحل بعض المشكلات بشكل أسرع من أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية، مما يعني أنها قد تكون في فئات تعقيد مختلفة ، وهذا هو سبب فائدة آلات تورينج الكمومية لمحاكاة الأنظمة الكمومية. يُعرف هذا باسم التفوق الكمومي ، وهي فكرة مفادها أن هناك مشكلات لا يمكن إلا لآلات تورينج الكمومية حلها في أي فترة زمنية ممكنة .

يمكن محاكاة نظام كمي يتكون من العديد من الجسيمات بواسطة حاسوب كمي باستخدام عدد من البتات الكمومية مماثل لعدد الجسيمات في النظام الأصلي. ^[5] وقد تم توسيع هذا ليشمل فئات أكبر بكثير من الأنظمة الكمومية. ^{[7] [8] [9] [10]}

تم تنفيذ محاكيات الكم على عدد من المنصات التجريبية، بما في ذلك أنظمة الغازات الكمومية فائقة البرودة ، والجزيئات القطبية، والأيونات المحاصرة، والأنظمة الفوتونية، والنقط الكمومية، والدوائر الفائقة التوصيل. ^[11]

تظل العديد من المشاكل المهمة في الفيزياء، وخاصة فيزياء درجات الحرارة المنخفضة وفيزياء الأجسام المتعددة ، غير مفهومة بشكل جيد لأن ميكانيكا الكم الأساسية معقدة للغاية. إن أجهزة الكمبيوتر التقليدية، بما في ذلك أجهزة الكمبيوتر العملاقة، غير كافية لمحاكاة الأنظمة الكمومية التي تحتوي على أقل من 30 جسيمًا لأن أبعاد فضاء هيلبرت تنمو بشكل كبير مع عدد الجسيمات. ^[12] هناك حاجة إلى أدوات حسابية أفضل لفهم وتصميم المواد التي يُعتقد أن خصائصها تعتمد على السلوك الكمي الجماعي لمئات الجسيمات بشكل عقلاني. ^{[2] [3]} توفر أجهزة المحاكاة الكمومية طريقًا بديلاً لفهم خصائص هذه الأنظمة. تخلق هذه المحاكيات إدراكات واضحة لأنظمة محددة ذات أهمية، مما يسمح بإدراكات دقيقة لخصائصها. يسمح التحكم الدقيق في معلمات النظام وقابلية ضبطها على نطاق واسع بفك تشابك تأثير المعلمات المختلفة بشكل واضح.

يمكن للمحاكيات الكمومية حل المشكلات التي يصعب محاكاتها على أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية لأنها تستغل بشكل مباشر الخصائص الكمومية للجسيمات الحقيقية. على وجه الخصوص، تستغل خاصية ميكانيكا الكم تسمى التراكب ، حيث يتم جعل الجسيم الكمومي في حالتين متميزتين في نفس الوقت، على سبيل المثال، محاذيًا ومضادًا لمجال مغناطيسي خارجي. الأهم من ذلك، تستفيد المحاكيات أيضًا من خاصية كمومية ثانية تسمى التشابك ، مما يسمح بترابط سلوك الجسيمات المنفصلة جيدًا فيزيائيًا. ^{[2] [3] [13]}

في الآونة الأخيرة، تم استخدام المحاكيات الكمومية للحصول على بلورات زمنية ^{[14] [15]} وسوائل دوران كمية . ^{[16] [17]}

يشكل النظام القائم على مصيدة الأيونات بيئة مثالية لمحاكاة التفاعلات في نماذج الدوران الكمومي. ^[18] يمكن لمحاكي الأيونات المحاصرة ، الذي بناه فريق ضم المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا، هندسة والتحكم في التفاعلات بين مئات البتات الكمومية (الكيوبتات). ^[19] لم تتمكن المساعي السابقة من تجاوز 30 بتًا كميًا. تبلغ قدرة هذا المحاكي 10 أضعاف الأجهزة السابقة. لقد اجتاز سلسلة من اختبارات المعايرة المهمة التي تشير إلى القدرة على حل المشكلات في علم المواد والتي من المستحيل نمذجتها على أجهزة الكمبيوتر التقليدية.

يتكون محاكي الأيونات المحاصرة من بلورة صغيرة أحادية المستوى من مئات أيونات البريليوم ، يقل قطرها عن مليمتر واحد، تحوم داخل جهاز يسمى مصيدة بينينج . يعمل الإلكترون الخارجي لكل أيون كمغناطيس كمي صغير ويُستخدم كبت كمي، وهو المكافئ الكمي لـ "1" أو "0" في الكمبيوتر التقليدي. في تجربة المقارنة المعيارية، استخدم الفيزيائيون أشعة الليزر لتبريد الأيونات إلى ما يقرب من الصفر المطلق. ثم تسببت نبضات الليزر والميكروويف الموقوتة بعناية في تفاعل البتات الكمومية، محاكية السلوك الكمي للمواد التي يصعب دراستها في المختبر. على الرغم من أن النظامين قد يبدوان مختلفين ظاهريًا، إلا أن سلوكهما مصمم ليكون متطابقًا رياضيًا. وبهذه الطريقة، تسمح المحاكيات للباحثين بتغيير المعلمات التي لا يمكن تغييرها في المواد الصلبة الطبيعية، مثل تباعد الشبكة الذرية والهندسة.

قام فريديناور وآخرون بالتلاعب بشكل كظومي بدورتين، موضحين فصلهما إلى حالات مغناطيسية حديدية ومضادة للمغناطيسية. ^[20] قام كيم وآخرون بتوسيع محاكي الكم الأيوني المحاصر إلى 3 دورات، مع تفاعلات إيزينج مضادة للمغناطيسية عالمية تتميز بالإحباط وتظهر الرابط بين الإحباط والتشابك ^[21] واستخدم إسلام وآخرون محاكاة الكم الأدياباتية لإظهار شحذ انتقال الطور بين الترتيب المغناطيسي والمغناطيسي الحديدي مع زيادة عدد الدورات من 2 إلى 9. ^[22] أنشأ باريرو وآخرون محاكيًا كميًا رقميًا للدوران المتفاعل مع ما يصل إلى 5 أيونات محاصرة عن طريق الاقتران بخزان مفتوح ^[23] وأظهر لانيون وآخرون محاكاة كمية رقمية لما يصل إلى 6 أيونات. ^[24] أظهر إسلام وآخرون محاكاة كمية كظومية لنموذج إيزينج المستعرض مع تفاعلات متغيرة (طويلة المدى) مع ما يصل إلى 18 دوران أيوني محاصر، مما يدل على التحكم في مستوى إحباط الدوران عن طريق ضبط نطاق التفاعل المضاد للحديد. ^[25] أجرى بريتون وآخرون من المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا معايرة تجريبية لتفاعلات إيزينج في نظام من مئات البتات الكمومية لدراسات المغناطيسية الكمومية. ^[19] أبلغ باغانو وآخرون عن نظام احتجاز أيونات مبرد جديد مصمم للتخزين طويل الأمد لسلاسل أيونات كبيرة توضح عمليات متماسكة من بت واحد وبتين كموميين لسلاسل تصل إلى 44 أيونًا. ^[26] استكشف جوشي وآخرون ديناميكيات الكم لـ 51 أيونًا يتم التحكم فيها بشكل فردي، محققين سلسلة دوران متفاعلة طويلة المدى. ^[27]

العديد من تجارب الذرات شديدة البرودة هي أمثلة على محاكيات الكم. وتشمل هذه التجارب دراسة البوزونات أو الفرميونات في الشبكات الضوئية ، وغاز فيرمي الوحدوي، ومصفوفات ذرات ريدبرج في الملقط الضوئي . والرابط المشترك بين هذه التجارب هو القدرة على تحقيق هاملتونيانات عامة، مثل هاملتونيان هوبارد أو هاملتونيان إيزينج ذي المجال المستعرض . وتشمل الأهداف الرئيسية لهذه التجارب تحديد المراحل ذات درجات الحرارة المنخفضة أو تتبع ديناميكيات عدم التوازن لنماذج مختلفة، وهي مشاكل مستعصية نظريًا وعدديًا. ^{[28] [29]} وقد حققت تجارب أخرى نماذج للمادة المكثفة في أنظمة يصعب أو يستحيل تحقيقها باستخدام المواد التقليدية، مثل نموذج هالدين ونموذج هاربر هوفستاتر . ^{[30] [31] [32] [33] [34]}

تنقسم المحاكيات الكمومية التي تستخدم كيوبتات فائقة التوصيل إلى فئتين رئيسيتين. أولاً، تحدد ما يسمى بالمُحَلِّلات الكمومية الحالات الأساسية لبعض الهاميلتونيات بعد منحدر أدياباتي. يُطلق على هذا النهج أحيانًا الحوسبة الكمومية الأدياباتية . ثانيًا، تحاكي العديد من الأنظمة الهاميلتونيات المحددة وتدرس خصائص الحالة الأساسية الخاصة بها، أو انتقالات الطور الكمومي ، أو ديناميكيات الوقت. ^[35] تتضمن العديد من النتائج الحديثة المهمة تحقيق عازل موت في نظام بوز-هابارد المُبَدِّد المُحرك ودراسات انتقالات الطور في شبكات الرنانات الفائقة التوصيل المقترنة بالكيوبتات. ^{[36] [37]}

• محاكاة هاميلتونية
• آلة تورينج الكمومية
• الحوسبة الكمومية

• ورقة دويتش 1985