تشغيل أول محاكاة كمومية لتفاعل كيميائي

6 أبريل، 2021 الهندسة و التكنولوجيا

–

من بين التوقعات العديدة التي لدينا بشأن تكنولوجيا الكم، فإن أحد أكثر التوقعات إثارة هو القدرة على محاكاة الكيمياء على مستوى غير مسبوق. الآن لدينا أول لمحة عما قد يبدو عليه ذلك.

جنبًا إلى جنب مع فريق من المتعاونين، استخدم فريق (Google AI Quantum) المعالج الكمومي سيكمور (Sycamore) الذي يبلغ حجمه 54 كيوبت لمحاكاة التغييرات في تكوين جزيء يسمى الديازين (diazene).

(الكيوبت (qubit) في الانظمة الكمومية يمثل البت (bit) في الانظمة الكلاسيكية، لا يمكن للبت أن يأخد إلا حالة واحدة فقط من بين حالتين أما تشغيل أو اطفاء (On or Off). في حين تسمح ميكانيكا الكم للكيوبت أن يأخد حالة تراكب لكلا الحالتين في نفس اللحظة) *المترجم.

بقدر ما تذهب التفاعلات الكيميائية، فهي واحدة من أبسط التفاعلات التي نعرفها. الديازين (H2N2) هو عبارة عن زوجين من النيتروجين مرتبطين في رابطة مزدوجة، كل منهما يسحب ذرة هيدروجين.

ومع ذلك، فقد وصف الكمبيوتر الكمومي بدقة التغيرات في مواضع الهيدروجين لتكوين أيزومرات ديازين (diazene isomers) مختلفة. استخدم الفريق أيضًا نظامهم للتوصل إلى وصف دقيق للطاقة الرابطة للهيدروجين في سلاسل أكبر بشكل متزايد.

وبقدر ما قد يبدو هذان النموذجان مباشرين، هناك الكثير مما يجري تحت الغطاء. لتنسى التفاعلات الكيميائية التي كنت تجريها عن طريق المعادلات في كتبك المدرسية – على مستوى ميكانيكا الكم، تعتبر الكيمياء مزيجًا معقدًا من الاحتمالات.

ولتوضيح الأمر اكثر، فهي مثل الفرق بين معرفة أن الكازينو دائما ما سيحقق ربحًا والتنبؤ بنتائج الألعاب الفردية التي يتم لعبها في الداخل. مقيدًا بالقواعد التي يمكن التنبؤ بها لأجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية، فإن القدرة على تمثيل مجموعات لا حصر لها من رميات النرد والرويال فلش (royal flushes) (وهي مجموعة معينة من الاوراق في لعبة البوكر) *المترجم، لفيزياء الكم كانت صعبة للغاية.

من ناحية أخرى، يتم إنشاء أجهزة الكمبيوتر الكمومية حول نفس مبادئ الاحتمال الكمومي التي تحكم الكيمياء على مستوى أساسي.

توجد الوحدات المنطقية المسماة بالكيوبتات في حالة غامضة من “إما / أو”. عند دمجها مع حالات “ربما” للكيوبتات الأخرى في النظام فإنها توفر لمهندسي الكمبيوتر طريقة فريدة لإجراء العمليات الحسابية.

تسمح الخوارزميات المصممة خصيصًا للاستفادة من ميكانيكا الكم هذه بالاختصارات، مما يقلل إلى دقائق ما قد يستغرق الكمبيوتر الفائق الكلاسيكي آلاف السنين من العمل.

إذا كان لدينا أمل في نمذجة الكيمياء على مستوى الكم، فسنحتاج إلى هذا النوع من القوة، وبعضها.

مجرد حساب مجموع الإجراءات التي تحدد الطاقة في جزيء البروبان (propane) يستغرق افتراضيا الكمبيوتر العملاق أكثر من أسبوع. ولكن هناك اختلاف كبير بين لقطة لطاقة الجزيء وحساب كل الطرق التي قد تتغير بها.

استخدمت محاكاة الديازين 12 من أصل 54 كيوبت من معالج السيكمور لإجراء حساباتها. كان هذا في حد ذاته لا يزال ضعف حجم أي محاولات سابقة لمحاكاة الكيمياء.

دفع الفريق أيضًا حدود الخوارزمية المصممة للمزج بين الكلاسيكية والعمليات الكمومية، وهي خوارزمية مصممة لتسوية الأخطاء التي تظهر بسهولة شديدة في عالم الحوسبة الكمومية الدقيق.

كل ذلك يضيف إلى احتمالات عمليات محاكاة أكبر بشكل متزايد في المستقبل، مما يساعدنا على تصميم مواد أكثر قوة، واكتشاف المزيد من الأدوية الفعالة، وحتى الكشف عن المزيد من أسرار الكازينو الكمي في الكون.

هيدروجين الديازين المتجول هو مجرد بداية لأنواع الكيمياء التي قد نتمكن قريبًا من نمذجتها في مشهد كمومي.

–

ترجمة: حسن خنجر

تدقيق وتعديل الصورة: تبارك عبد العظيم

المصدر: هنا