انجام شبیه‌سازی‌های پیچیدۀ کوانتومی روی لپ‌تاپ؛ انقلابی کوچک در علمی گسترده
پژوهشگران دانشگاه بوفالو با توسعه روش TWA موفق شدند شبیه‌سازی‌های پیچیده کوانتومی را بدون نیاز به ابرکامپیوتر روی لپ‌تاپ‌های معمولی انجام دهند.
تحریریه حرف مرد: تیمی در دانشگاه بوفالو موفق شده است سیستم‌های پیچیده کوانتومی را بدون نیاز به ابرکامپیوتر شبیه‌سازی کند. آن‌ها با گسترش یک روش محاسباتی به نام تقریب ویگنر کوتاه‌شده (TWA)، راهی سریع و قابل‌دسترس برای مدل‌سازی رفتار واقعی ذرات کوانتومی ارائه کرده‌اند. روش جدید آن‌ها معادلات پیچیده را به فرمتی ساده و قابل اجرا روی کامپیوترهای معمولی تبدیل می‌کند و می‌تواند نحوه کاوش فیزیک‌دانان در دنیای کوانتوم را متحول کند.
از آشوب کوانتومی تا لپ‌تاپ شما
در دنیای کوانتوم، ذرات فوق‌العاده کوچک می‌توانند همزمان در میلیاردها میلیارد حالت مختلف وجود داشته باشند و با هم تعامل کنند. درک این سیستم‌ها به همان اندازه که پیچیده است، حیرت‌انگیز هم هست.
برای فهم و شبیه‌سازی این سیستم‌ها، فیزیک‌دانان معمولاً به ابرکامپیوترها یا هوش مصنوعی متوسل می‌شوند. اما حالا سوال این است: آیا می‌توان این مسائل را با یک لپ‌تاپ معمولی حل کرد؟
دانشمندان مدتی است که این امکان را از نظر تئوریکی محتمل می‌دانستند، اما تحقق عملی آن بسیار دشوار بود.
پژوهشگران دانشگاه بوفالو اکنون گامی بزرگ برداشته‌اند. آن‌ها تکنیک TWA، که یک میانبر محاسباتی برای ساده کردن ریاضیات پیچیده کوانتومی است، توسعه داده‌اند تا سیستم‌هایی را شامل شود که پیش‌تر تصور می‌شد نیازمند قدرت محاسباتی فوق‌العاده هستند.
به‌علاوه، رویکرد آن‌ها چارچوبی عملی و آسان برای استفاده از TWA فراهم کرده است، به طوری که پژوهشگران می‌توانند داده‌های خود را وارد کنند و در عرض چند ساعت به نتایج قابل فهمی برسند. جمیرا مارینو، دکترای فیزیک و استاد دانشگاه بوفالو، می‌گوید:
«روش ما هزینه محاسباتی بسیار پایین‌تری دارد و معادلات دینامیکی را ساده‌تر می‌کند. ما معتقدیم که این روش به زودی می‌تواند به ابزار اصلی برای مطالعه دینامیک‌های کوانتومی روی کامپیوترهای معمولی تبدیل شود.»
مارینو این تحقیق را زمانی آغاز کرد که در دانشگاه یوهانس گوتنبرگ ماینتس در آلمان بود و دو تن از همکارانش، حسین حسین‌آبادی و اوکسانا چلپانوا، دانشجویان سابق او بودند. اوکسانا اکنون پژوهشگر پسادکترا در آزمایشگاه مارینو در دانشگاه بوفالو است.
این پروژه با حمایت بنیاد ملی علوم آمریکا، بنیاد تحقیقات آلمان و اتحادیه اروپا انجام شده است.
همچنین بخوانید: جدیدترین پژوهش ناسا: زمین در حال از دست دادن درخشش خود است!
رویکرد نیمه‌کلاسیک: راهی میانبر
حل دقیق هر سیستم کوانتومی تقریبا غیرممکن است؛ زیرا با افزایش پیچیدگی، نیاز به قدرت محاسباتی به‌صورت نمایی رشد می‌کند.
به همین دلیل، فیزیک‌دانان معمولاً از رویکرد نیمه‌کلاسیک استفاده می‌کنند؛ روشی که مقدار کافی از ویژگی‌های کوانتومی را حفظ می‌کند تا نتایج دقیق باشند و جزئیات کم‌اهمیت را حذف می‌کند.
TWA یکی از همین روش‌هاست که از دهه ۱۹۷۰ وجود دارد، اما محدود به سیستم‌های ایده‌آل و جدا شده است که انرژی دریافت یا از دست نمی‌دهند.
مارینو و تیمش اکنون این روش را گسترش داده‌اند تا سیستم‌های واقعی و پیچیده را نیز پوشش دهد؛ سیستم‌هایی که ذرات در آن‌ها تحت تأثیر نیروهای خارجی قرار دارند و انرژی خود را به محیط اطراف منتقل می‌کنند، چیزی که به آن دینامیک چرخشی اتلافی گفته می‌شود.
مارینو توضیح می‌دهد:
«پیش از ما گروه‌های زیادی تلاش کرده‌اند این کار را انجام دهند. اما چالش اصلی، آسان و در دسترس کردن این روش بود.»
ساده‌سازی معادلات پیچیده
قبلا، پژوهشگران برای استفاده از TWA با پیچیدگی زیادی روبه‌رو بودند. هر بار که می‌خواستند روش را روی یک مسئله جدید اعمال کنند، مجبور بودند تمام ریاضیات را از ابتدا بازنویسی کنند.
تیم مارینو این ریاضیات پیچیده و تقریبا غیرقابل نفوذ را به جدولی ساده برای تبدیل مسائل کوانتومی به معادلات قابل حل تبدیل کرده است.
اوکسانا چلپانوا می‌گوید:
«فیزیک‌دانان می‌توانند این روش را در یک روز یاد بگیرند و تا روز سوم قادرند برخی از پیچیده‌ترین مسائل را حل کنند.»
ذخیره منابع برای مسائل واقعاً پیچیده
هدف نهایی این است که ابرکامپیوترها و مدل‌های هوش مصنوعی فقط برای سیستم‌های واقعاً پیچیده کوانتومی استفاده شوند؛ سیستم‌هایی که تعداد حالت‌هایشان بیشتر از تعداد اتم‌های موجود در جهان است و روش نیمه‌کلاسیک برای آن‌ها کار نمی‌کند.
مارینو توضیح می‌دهد:
«بسیاری از مسائل که پیچیده به نظر می‌رسند، در واقع پیچیده نیستند. فیزیک‌دانان می‌توانند منابع قدرتمند را روی مسائل واقعی نیازمند روش کامل کوانتومی متمرکز کنند و باقی مسائل را به سرعت با روش ما حل کنند.»
منبع: Science Daily
