قد لا تكون كيمياء الكم “التطبيق القاتل” لأجهزة الكمبيوتر الكمومية بعد كل شيء

ظهرت مؤخرًا حسابات كيمياء الكم التي يمكن أن تعزز تطوير الأدوية أو الزراعة باعتبارها “تطبيقًا قاتلًا” واعدًا لأجهزة الكمبيوتر الكمومية، لكن تحليلًا جديدًا يشير إلى أنه من غير المرجح أن يكون هذا هو الحال.

لقد تسارع التقدم في بناء أجهزة الكمبيوتر الكمومية بشكل كبير في السنوات الأخيرة، ولكن يبقى سؤال مفتوح ما هي الاستخدامات التي من المرجح أن تبرر الاستثمار المستمر في هذه التكنولوجيا. أحد المتنافسين المشهورين هو حل المشكلات في كيمياء الكم، مثل حساب مستويات الطاقة للجزيئات ذات الصلة بالطب الحيوي أو الصناعة. وهذا يتطلب حساب سلوك العديد من الجسيمات الكمومية – الإلكترونات الموجودة في الجزيء – في وقت واحد، لذلك يبدو الأمر وكأنه تطابق جيد لأجهزة الكمبيوتر المصنوعة من العديد من الأجزاء الكمومية.

ومع ذلك، أظهر Xavier Waintal وزملاؤه من CEA Grenoble في فرنسا أن خوارزميتين رائدتين للحوسبة الكمومية لهذه المهمة قد يكون لهما استخدام محدود في أحسن الأحوال.

يقول عن استخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية لحسابات الطاقة الجزيئية: “إن تفكيري الشخصي هو أنه من المحتمل أن يكون محكومًا عليه بالفشل، ولم يثبت أنه محكوم عليه بالفشل، ولكن ربما يكون محكومًا عليه بالفشل”.

قسم الباحثون تحليلهم الرياضي إلى جزأين، أحدهما يتعلق بأجهزة الكمبيوتر الكمومية الموجودة، والتي تكون جميعها عرضة للأخطاء، والآخر يتعلق بأجهزة الكمبيوتر الكمومية المستقبلية التي ستكون “متسامحة مع الأخطاء”، أو مقاومة تمامًا للأخطاء.

عند استخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية المعرضة للخطأ أو الصاخبة، يمكن حساب مستويات الطاقة الجزيئية باستخدام خوارزمية المحلول الذاتي الكمي المتغير (VQE)، ولكن دقة نتائجها تعتمد على مدى شدة تلك الضوضاء.

وجد تحليل الفريق أنه لكي تتنافس تقنية VQE على الدقة مع خوارزميات الكيمياء التي يمكن تشغيلها على أجهزة الكمبيوتر التقليدية، يجب قمع ضوضاء أجهزة الكمبيوتر الكمومية بشدة بحيث يجب أن تكون متسامحة مع الأخطاء بشكل فعال. ومن الجدير بالذكر أنه لم يتم بعد تصنيع حاسوب كمي عملي متسامح مع الأخطاء.

تهدف العديد من شركات الحوسبة الكمومية إلى بناء كم متسامح مع الأخطاء في غضون خمس سنوات، ويمكن لهذه الأجهزة حساب طاقات الجزيئات باستخدام خوارزمية مختلفة تسمى تقدير الطور الكمي (QPE). هنا، تم القضاء تقريبًا على مسألة الأخطاء، لكن الدراسة تؤكد على مشكلة تحمل الاسم المشؤوم “كارثة التعامد”.

ببساطة، هذا يعني أنه مع زيادة حجم الجزيئات، فإن احتمالية تمكن QPE من حساب أدنى مستوى للطاقة الخاص بها يتناقص بشكل كبير. ونتيجة لذلك، يقول عضو الفريق ثيبود لوفيت في شركة الحوسبة الكمومية الفرنسية Quobly إنه حتى مع وجود أجهزة كمبيوتر كمومية رائعة، لن يكون هناك سوى عدد صغير من الحالات التي يكون استخدامها لتشغيل QPE هو الخيار الأكثر عملية والأفضل. ومن وجهة نظره، ينبغي النظر إلى القدرة على تشغيل هذه الخوارزمية على أنها معيار لنضج أجهزة الكمبيوتر الكمومية أكثر من كونها شيئًا يمكن أن يصبح الدعامة الأساسية للكيميائيين العاملين.

يقول جورج بوث، من جامعة كينغز كوليدج في لندن، والذي لم يشارك في هذا العمل: “من السهل المبالغة في المبالغة في تقدير آفاق أجهزة الكمبيوتر الكمومية في هذا المجال، حيث يعتقد الكثيرون أن ظهور أجهزة الكمبيوتر الكمومية سيجعل على الفور أي نهج كلاسيكي في كيمياء الكم عفا عليه الزمن”. “من الواضح أن هذه الدراسة تشير إلى تحديات كبيرة أمام المحاكاة الجزيئية الدقيقة، والتي ستظل قائمة حتى في “عصر التسامح مع الأخطاء”، وتلقي بظلال من الشك على ما إذا كانت كيمياء الكم هي حقًا فوز سريع لأجهزة الكمبيوتر الكمومية.”

لكنه يقول إنه لا تزال هناك طرق أخرى يمكن من خلالها استخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية في الكيمياء. على سبيل المثال، يمكنهم محاكاة كيفية تغير الأنظمة الكيميائية بعد تعرضها للاضطراب، مثل التعرض لضوء الليزر.