رازگشایی کوانتوم در دستان یک اتم: آیا انقلابی در راه است؟

کامپیوترهای کوانتومی همواره به عنوان ابزاری برای حل مسائل پیچیده علمی و شبیه‌سازی سیستم‌های مولکولی مطرح بوده‌اند. در تازه‌ترین دستاورد، دانشمندان از یک اتم منفرد به عنوان یک کامپیوتر کوانتومی استفاده کرده‌اند تا رفتار پیچیده مولکول‌های آلی را در واکنش به نور مدل‌سازی کنند. این رویکرد نوین می‌تواند انقلابی در عرصه محاسبات کوانتومی به پا کند و راه را برای درک بهتر و طراحی مواد و داروهای جدید هموار سازد.

یک اتم، یک کامپیوتر کوانتومی

مقاله منتشر شده در Journal of the American Chemical Society در تاریخ ۱۴ می، نشان می‌دهد که چگونه یک اتم منفرد توانسته است شبیه‌سازی‌های کوانتومی کاملی از نحوه واکنش مولکول‌ها به نور را انجام دهد. این دستاورد توسط محققانی صورت گرفته که معتقدند رویکرد مینیمالیستی آن‌ها می‌تواند به طور چشمگیری مسیر رسیدن به “مزیت کوانتومی” را تسریع بخشد. “مزیت کوانتومی” زمانی حاصل می‌شود که کامپیوترهای کوانتومی قادر باشند رفتار مواد شیمیایی یا موادی را به گونه‌ای پیش‌بینی کنند که از توانایی کامپیوترهای معمولی خارج باشد.

به گفته Ting Rei Tan، فیزیکدان کوانتومی تجربی در دانشگاه سیدنی، “مزیت کلیدی این رویکرد، کارآمدی فوق‌العاده آن از نظر سخت‌افزاری است.” یک اتم منفرد می‌تواند اطلاعاتی را رمزگذاری کند که معمولاً در حدود دوازده “کیوبیت” (qubit)، واحدهای محاسباتی مورد استفاده در اکثر کامپیوترهای کوانتومی، پراکنده است.

Alán Aspuru-Guzik، شیمیدان محاسباتی در دانشگاه تورنتو در کانادا، در این باره می‌گوید: “هیچ کامپیوتر کوانتومی‌ای پیش از این، چنین سطحی از پیچیدگی را در سطوح انرژی مولکول‌ها شبیه‌سازی نکرده بود. این یک شاهکار است که در کتاب‌های تاریخ باقی خواهد ماند.”

الکترون‌های برانگیخته

Tan و همکارانش رفتار سه مولکول آلی مختلف، آلن (allene)، بوتاتری‌ان (butatriene) و پیرازین (pyrazine) را هنگام برخورد با یک ذره پرانرژی به نام فوتون شبیه‌سازی کردند. این برخورد، مجموعه‌ای از رویدادها را در مولکول ایجاد می‌کند که هم نحوه حرکت اتم‌های آن نسبت به یکدیگر (ارتعاش مانند توپ‌های متصل شده توسط فنرها) و هم نحوه جهش الکترون‌های آن به حالت‌های پرانرژی‌تر یا برانگیخته را تحت تأثیر قرار می‌دهد. درک دقیق توالی این رویدادها می‌تواند به شیمیدانان کمک کند تا مولکول‌هایی را طراحی کنند که انرژی را به مؤثرترین و کارآمدترین شکل ممکن هدایت کنند، به عنوان مثال در پنل‌های خورشیدی یا لوسیون‌های ضد آفتاب.

محققان راهی برای رمزگذاری این پارامترهای مختلف در یک یون ایتربیوم (ytterbium) منفرد پیدا کردند که با استفاده از میدان‌های الکتریکی تپنده در خلاء به دام افتاده بود: تحریکات الکترون‌های مولکول با تحریکات مشابه در یکی از الکترون‌های یون مطابقت داشت، و دو حالت ارتعاشی مختلف با تکان خوردن یون در داخل تله خود در دو جهت مختلف نشان داده می‌شدند. این تیم همچنین با استفاده از پالس‌های لیزری، یون را تحریک کردند تا نحوه تعامل همه حالت‌ها با یکدیگر را تنظیم کنند. این امر باعث شد تا یون در طول زمان تکامل یابد، به این معنی که می‌توانست نحوه عملکرد مولکول‌های مربوطه پس از برخورد با فوتون را تقلید کند.

سپس این تیم با اندازه‌گیری احتمال تغییر حالت الکترون یون در طول زمان، وضعیت مولکول‌های مجازی را در مجموعه‌ای از مراحل مختلف قرائت کرد.

به گفته Tan، نتایج با آنچه در مورد این سه مولکول شناخته شده بود مطابقت داشت، که رویکرد را تأیید می‌کند. آلن، بوتاتری‌ان و پیرازین هنوز به اندازه کافی ساده هستند که با شبیه‌سازی‌های کامپیوتری معمولی مورد مطالعه قرار گیرند، اما این شبیه‌سازی‌ها زمانی که مجبور شوند حدود ۲۰ حالت ارتعاشی یا بیشتر را در خود جای دهند، کارایی خود را از دست می‌دهند، که برای مولکول‌های پیچیده‌تر غیرمعمول نیست.

Kenneth Brown، مهندس کوانتوم در دانشگاه دوک (Duke University) در دورهام، کارولینای شمالی، این مطالعه را “کار بزرگی” می‌نامد و می‌گوید این اولین بار است که محققان نشان داده‌اند چگونه می‌توان چنین تکنیکی را برای تقلید از خواص مولکول‌های خاص تنظیم کرد.

شبیه‌سازی شیمی مولکول‌ها و مواد اغلب به عنوان یکی از امیدوارکننده‌ترین کاربردهای کامپیوترهای کوانتومی توصیف می‌شود، اما کاربردی که تنها پس از مقیاس‌بندی ماشین‌ها تا میلیون‌ها کیوبیت، نتایج مفیدی به همراه خواهد داشت. Tan و همکارانش پیش‌بینی می‌کنند که با رویکرد آن‌ها، یک کامپیوتر کوانتومی می‌تواند با استفاده از تنها چند ده یون، شبیه‌سازی‌های مفیدی انجام دهد.

این مقاله با اجازه بازتولید شده و برای اولین بار در ۱۶ می ۲۰۲۵ منتشر شده است.

منبع