محققان دانشگاه بوفالو (University at Buffalo) روش مدل‌سازی کوانتومی قدرتمند اما مقرون‌به‌صرفه‌ای را که با نام تقریب کوتاه‌شده ویگنر (truncated Wigner approximation) یا TWA شناخته می‌شود، ارتقا داده‌اند.
نسخه بهبودیافته آن‌ها اکنون می‌تواند مسائل پیچیده کوانتومی دنیای واقعی را روی لپ‌تاپ‌های معمولی حل کند. این پیشرفت می‌تواند شبیه‌سازی‌های کوانتومی سطح بالا را سریع‌تر، ارزان‌تر و در دسترس دانشمندان در همه جا قرار دهد.
پیچیدگی کوانتومی در دسترس!
تصور کنید که در اعماق ماده در سطح کوانتومی کنجکاوی می‌کنید، جایی‌که ذرات فوق‌العاده کوچک می‌توانند به‌طور همزمان به بیش از یک تریلیون روش مختلف با هم تعامل داشته باشند.
این سطح از پیچیدگی حیرت‌آور است. برای درک این پدیده‌ها، فیزیکدان‌ها اغلب برای شبیه‌سازی رفتار و تکامل این سیستم‌های کوانتومی به ابررایانه‌های قدرتمند یا هوش مصنوعی وابسته هستند.
اما اگر بتوان بسیاری از این شبیه‌سازی‌ها را به جای آن با یک لپ‌تاپ معمولی انجام داد، چطور؟!
دانشمندان مدت‌هاست که از لحاظ تئوری این موضوع را ممکن می‌دانستند، اما تبدیل آن ایده به چیزی عملی، زمان بسیار طولانی‌تری نیاز داشت.
ساده‌سازی آشوب کوانتومی
محققان دانشگاه بوفالو اکنون این هدف را در دسترس قرار داده‌اند. آن‌ها یک تکنیک محاسباتی مقرون‌به‌صرفه به نام تقریب کوتاه‌شده ویگنر (TWA)، که اساساً یک میان‌بر فیزیکی برای ساده‌سازی ریاضیات کوانتومی است را گسترش دادند تا بتوان از آن برای مقابله با مسائل پیچیده‌ای استفاده کرد که زمانی تصور می‌شد به قدرت محاسباتی عظیمی نیاز دارند.
نکته قابل توجه دیگر این است که نسخه جدید TWA، که در مطالعه‌ای منتشر شده در سپتامبر در مجله PRX Quantum (یکی از نشریات انجمن فیزیک آمریکا) تشریح شده است، یک چارچوب واضح و در دسترس را معرفی می‌کند که محققان را قادر می‌سازد تا داده‌های خود را وارد کرده و نتایج قابل اعتمادی را تنها در چند ساعت تولید کنند.
در دسترس قرار دادن ابزارهای کوانتومی
جامیر مارینو (Jamir Marino)، استادیار فیزیک در کالج هنر و علوم UB و نویسنده مسئول این مطالعه، می‌گوید:
رویکرد ما هزینه‌های محاسباتی به‌طور قابل توجهی پایین‌تر و فرمول‌بندی بسیار ساده‌تری از معادلات دینامیکی ارائه می‌دهد.
او اضافه می‌کند:
ما فکر می‌کنیم این روش می‌تواند در آینده نزدیک، به ابزار اصلی برای کاوش این نوع دینامیک کوانتومی بر روی کامپیوترهای مصرفی تبدیل شود.
مارینو، که پاییز امسال به UB پیوست، کار خود روی این مطالعه را در زمانی که در دانشگاه یوهانس گوتنبرگ ماینتس در آلمان بود، انجام داد. نویسندگان همکار این مقاله شامل دو دانشجوی او در آنجا، حسین حسین‌آبادی و اوکسانا چلپانوا هستند؛ چلپانوا اکنون یک محقق پسا دکترا در آزمایشگاه مارینو در UB است.
این کار با حمایت بنیاد ملی علوم (National Science Foundation)، بنیاد تحقیقات آلمان و اتحادیه اروپا انجام شده است.
گسترش مرز کوانتومی
همه سیستم‌های کوانتومی را نمی‌توان دقیقاً حل کرد. انجام این کار غیرعملی است، زیرا با پیچیده‌تر شدن سیستم، توان محاسباتی مورد نیاز به صورت تصاعدی افزایش می‌یابد.
در عوض، فیزیکدان‌ها اغلب به چیزی روی می‌آورند که به عنوان فیزیک نیمه‌کلاسیک شناخته می‌شود؛ یک رویکرد میانی که تنها به اندازه کافی رفتار کوانتومی را برای حفظ دقت حفظ کرده، در حالی‌که از جزئیاتی که تأثیر کمی بر نتیجه دارند، چشم‌پوشی می‌کند.
قدرت فیزیک نیمه‌کلاسیک
TWA یکی از این رویکردهای نیمه‌کلاسیک است که به دهه ۱۹۷۰ باز می‌گردد، اما محدود به سیستم‌های کوانتومی ایزوله و ایده‌آل است که در آن‌ها انرژی به دست نمی‌آید یا از دست نمی‌رود.
بنابراین، تیم مارینو TWA را به سیستم‌های آشفته‌تر موجود در دنیای واقعی گسترش دادند، جایی‌که ذرات به طور مداوم تحت تأثیر نیروهای بیرونی قرار می‌گیرند و انرژی به محیط اطراف خود نشت می‌کنند، که به این حالت، دینامیک اسپین اتلاف‌پذیر (dissipative spin dynamics) نیز گفته می‌شود.
مارینو می‌گوید:
گروه‌های زیادی قبل از ما تلاش کردند این کار را انجام دهند. مشخص است که سیستم‌های کوانتومی پیچیده خاصی را می‌توان با یک رویکرد نیمه‌کلاسیک به طور کارآمد حل کرد.
وی افزود:
با این حال، چالش واقعی این بوده که این کار را در دسترس و آسان انجام دهیم.
تبدیل پیچیدگی به وضوح
در گذشته، محققانی که به دنبال استفاده از TWA بودند با دیواری از پیچیدگی مواجه می‌شدند. آن‌ها مجبور بودند هر بار که این روش را برای یک مسئله کوانتومی جدید به کار می‌بردند، ریاضیات را از ابتدا استخراج کنند.
بنابراین، تیم مارینو آنچه قبلاً صفحات متراکم و تقریباً غیرقابل نفوذ از ریاضیات بود را به یک جدول تبدیل ساده تبدیل کردند که یک مسئله کوانتومی را به معادلات قابل حل ترجمه می‌کند.
چلپانوا می‌گوید:
فیزیکدانان اساساً می‌توانند این روش را در یک روز بیاموزند و تا حدود روز سوم، برخی از پیچیده‌ترین مسائلی را که ما در این مطالعه ارائه می‌کنیم، اجرا می‌کنند.
آزاد کردن ابررایانه‌ها برای کارهای سخت‌تر
امید این است که این روش جدید، خوشه‌های ابررایانه‌ای و مدل‌های هوش مصنوعی را برای سیستم‌های کوانتومی واقعاً پیچیده ذخیره کند. این‌ها سیستم‌هایی هستند که نمی‌توان آن‌ها را با یک رویکرد نیمه‌کلاسیک حل کرد. سیستم‌هایی که نه تنها یک تریلیون حالت ممکن دارند، بلکه تعداد حالت‌های آن‌ها بیشتر از اتم‌های موجود در جهان است.
مارینو می‌گوید:
بسیاری از چیزهایی که پیچیده به نظر می‌رسند، در واقع پیچیده نیستند. فیزیکدانان می‌توانند از منابع ابررایانه‌ای برای سیستم‌هایی استفاده کنند که به رویکرد کامل کوانتومی نیاز دارند و بقیه را به سرعت با رویکرد ما حل کنند.
منبع: Scitechdaily
