نشر علماء مختبر الأبحاث البحرية الأمريكية (NRL) خوارزمية Cascaded Variational Quantum Eigensolver (CVQE) في دراسة حديثة بحوث المراجعة البدنية شرط. ومن المتوقع أن تصبح الخوارزمية أداة قوية لدراسة الخصائص الفيزيائية في الأنظمة الإلكترونية.
تعد خوارزمية CVQE أحد أشكال خوارزمية Variational Quantum Eigensolver (VQE) التي تتطلب فقط تنفيذ مجموعة من الدوائر الكمومية مرة واحدة بدلاً من كل تكرار أثناء عملية تحسين المعلمة، وبالتالي زيادة الإنتاجية الحسابية.
وقال جون ستينغر، دكتوراه، وهو فيزيائي أبحاث في قسم الكيمياء النظرية: "تنتج كلا الخوارزميتين حالة كمية قريبة من الحالة الأساسية للنظام، والتي تستخدم لتحديد العديد من الخصائص الفيزيائية للنظام". "الحسابات التي كانت تستغرق شهورًا في السابق يمكن إجراؤها الآن خلال ساعات."
تستخدم خوارزمية CVQE كمبيوترًا كميًا لاستكشاف وظائف الكتلة الاحتمالية المطلوبة وكمبيوترًا كلاسيكيًا لإجراء الحسابات المتبقية، بما في ذلك تقليل الطاقة.
قال ستيف هيلبيرج، دكتوراه، وهو فيزيائي أبحاث في قسم نظرية المواد الوظيفية المتقدمة: "إن العثور على الحد الأدنى من الطاقة أمر صعب حسابيًا نظرًا لأن حجم مساحة الحالة ينمو بشكل كبير مع حجم النظام". "باستثناء الأنظمة الصغيرة جدًا، حتى أقوى أجهزة الكمبيوتر العملاقة في العالم غير قادرة على العثور على الحالة الأرضية الدقيقة."
ولمواجهة هذا التحدي، يستخدم العلماء حاسوبًا كميًا مزودًا بسجل كيوبت، والذي تزداد مساحة حالته أيضًا بشكل كبير، في هذه الحالة مع الكيوبتات. من خلال تمثيل حالات النظام المادي في مساحة الحالة الخاصة بالسجل، يمكن استخدام الكمبيوتر الكمي لمحاكاة الحالات في مساحة التمثيل الكبيرة جدًا للنظام.
ويمكن بعد ذلك استخلاص البيانات عن طريق القياسات الكمومية. نظرًا لأن القياسات الكمومية ليست حتمية، فيجب تكرار عمليات تنفيذ الدائرة الكمومية عدة مرات لتقدير التوزيعات الاحتمالية التي تصف الحالات، وهي عملية تُعرف باسم أخذ العينات. تحدد خوارزميات الكم المتغيرة، بما في ذلك خوارزمية CVQE، حالات التجربة من خلال مجموعة من المعلمات التي تم تحسينها لتقليل الطاقة.
"الفرق الرئيسي بين طريقة VQE الأصلية وطريقة CVQE الجديدة هو أنه تم فصل عمليات أخذ العينات والتحسين في الأخيرة بحيث يمكن إجراء أخذ العينات حصريًا على الكمبيوتر الكمومي ومعالجة المعلمات حصريًا على جهاز كمبيوتر كلاسيكي،" قال دان جونليكي، دكتوراه في الفلسفة، ورئيس قسم الكيمياء النظرية، والذي يقود أيضًا جهود الحوسبة الكمومية NRL.
"للنهج الجديد أيضًا فوائد أخرى. لا يجب أن يتوافق شكل مساحة الحل مع متطلبات التماثل لسجل الكيوبت، وبالتالي، من الأسهل بكثير تشكيل مساحة الحل وتنفيذ تماثلات النظام والقيود الأخرى ذات الدوافع المادية، الأمر الذي سيؤدي في النهاية إلى المزيد وتابع جونليك: "تنبؤات دقيقة لخصائص النظام الإلكتروني".
الحوسبة الكمومية هي أحد مكونات علم الكم، والتي تم تصنيفها على أنها حاسمة تكنولوجيا المنطقة ضمن الرؤية التكنولوجية للدولار الأمريكي (R&E) لعصر المنافسة بقلم وكيلة وزارة الدفاع للأبحاث والهندسة هايدي شيو.
وقال غونليك: "إن فهم خصائص الأنظمة الميكانيكية الكمومية أمر ضروري في تطوير مواد وكيمياء جديدة لسلاح البحرية ومشاة البحرية". "التآكل، على سبيل المثال، يمثل تحديًا منتشرًا في كل مكان ويكلف وزارة الدفاع المليارات كل عام. ويمكن استخدام خوارزمية CVQE لدراسة التفاعلات الكيميائية المسببة للتآكل وتوفير معلومات مهمة لفرق مكافحة التآكل الموجودة لدينا في سعيهم لتطوير طلاءات وإضافات أفضل."
لعقود من الزمن، كان مختبر البحوث النووية يجري أبحاثًا أساسية في علم الكم، والتي لديها القدرة على إنتاج تقنيات دفاعية مدمرة من حيث الدقة والملاحة والتوقيت؛ الاستشعار الكمي؛ الاحصاء الكمية؛ والشبكات الكمومية.