Erik Lucero, Research Scientist and Lead Production Quantum Hardware

لأول مرة: محاكاة كمومية لتفاعل كيميائي!

من بين الآمال الكبيرة المعلقة عليها: يتوقع من التقنية الكمية أن تكون قادرة على محاكاة الكيمياء في مستوى جديد كليًا، وقد حصلنا حديثًا على لمحة أولى مما قد يبدو عليه ذلك.

استخدمَ فريق جوجل للذكاء الاصطناعي الكمي Google Al Quantum -بمساعدة فريق من المتعاونين- معالجهم سيكامور Sycamore ذو الـ54 كيوبتًا (بت كمّي)، لمحاكاة التغيّرات في تنظيم جزيء يسمى ديازين diazene.

وكون الديازين ليس غير ذرتي نيتروجين مترابطتين معًا بآصرة مزدوجة، كلٌ منها مرتبط بذرة هيدروجين؛ فإنه يعتبر بسيطًا بالنسبة لتعقيد التفاعلات الكيميائية.

مع ذلك، فإن الحاسوب الكمّي يصف بدقّة التغيّرات في مواقع ذرات الهيدروجين لتشكيل نظائر الديازين المختلفة. واستخدم الفريق نظامهم كذلك للوصول إلى وصف دقيق لطاقة ترابط الهيدروجين في سلاسل أكبر بالتدريج.

ورغم سلاسة هذان النموذجان الظاهرية، إلا أن الكثير يجري في الخفاء. لذا تناسى الصيغ الكيميائية من كتب مدرستك لأن الكيمياء على مستوى ميكانيك الكم هي خليط معقّد من الإمكانيات والاحتمالات.

بطريقة ما فإن الأمر يشبه الفرق بين معرفة أن كازينو سيربح دائمًا، وبين توقع الربح من كل لعبة تلعب في داخله، إذ من الصعب جدًا تمثيل التراكيب اللانهائية لنرد ميكانيك الكم وأوراق لعبه عند الاستناد إلى قواعد الحواسيب التقليدية المتوقعة.

أما حواسيب ميكانيك الكم فهي مصممة وفق ذات مبادئ الاحتمالية الكمومية التي تحكم الكيمياء على المستوى الجوهري.

هناك وحدات منطقية تُسمى كيوبت توجد بحالة مبهمة من “إما-أو”. وهي عندما تتحد مع “ربما” الكيوبتات الأخرى في النظام، تزوّد مهندسي الحاسوب بطريقة فريدة لتنفيذ الحسابات.

وقد شُكّلت خوارزميات خصيصًا لاستغلال خصائص ميكانيك الكم هذه، فصار هناك طريق مختصر يجعل هذه الحواسيب تنفِّذ في دقائق ذات العملية التي قد تستغرق الحواسيب التقليدية الخارقة آلاف السنين لمعالجتها. ونحن بحاجة إلى هذا النوع من القدرة إن أردنا الأمل في نمذجة الكيمياء على المستوى الكمي.

افتراضيًا: سيستغرق الحاسوب الخارق أكثر من أسبوع لمعالجة جميع العمليات التي تحدد الطاقة في جزيء من البروبان! علمًا أن هناك فرقٌ هائلٌ بين أخذ لمحة عن طاقة الجزيئات وبين حساب جميع الطرق التي قد تتغير فيها.

استَخدم محاكي الديازين 12 كيوبتًا من كيوبتات معالج سيكامور الأربع والخمسين لتنفيذ الحسابات. وهذا بحد ذاته يمثل ضعف موارد أي محاولة سابقة لنمذجة الكيمياء.

أيضًا فقد تخطى الفريق حدود الإبداع بخوارزمية مصممة لتُزاوِجَ العمليات الكلاسيكية والكمية، فكانت النتيجة خوارزمية تصحح الأخطاء والمشاكل التي تظهر بسهولة بالغة في عالم الحواسيب الكمّية الدقيق.

كل هذا يرفع احتماليات تحقيق مُحاكَيات أكبر باطراد في المستقبل، والتي تساعدنا في تصميم المزيد من المواد القوية، وصنع أدوية أكثر فاعلية، وحتى كشف مزيد من أسرار كازينو الكون الكمّي.

إن هيدروجين الديازين المتسكع هو مجرد البداية لأنواع الكيمياء التي قد نتمكن قريبًا من نمذجتها على المستوى الكمّي.

المصادر: 1