קבוצה בינלאומית של חוקרים הצליחה בפעם הראשונה לדמות ולחשב תהליך כימי באמצעות מחשב קוונטי המבוסס על יונים כלואים
סימולציה של מולקולה בעזרת מחשב קוונטי
קבוצת חוקרים שבמרכזה ד"ר קורנליוס המפל מאוניברסיטת סידני חקרו דרכים יעילות למדל ולחשב קשרים וראקציות כימיות באמצעות מחשבים קוונטים. המאמר פורסם בכתב העת Physical Review X של האגודה האמריקאית למחקר בפיזיקה. "אפילו מחשבי על מתקשים למדל באופן מדויק תהליכים כימיים בסיסיים. מחשב קוונטי יכול לסמלץ (לדמות) את הטבע ולחשוף ידע חדש על עולם החומר. מחשבים קוונטים יעניקו לחוקרים אמצעים חדשים לפתור בעיות במדעי החומר, רפואה ובתעשייה כימית בעזרת סימולציות שידמו את המתרחש".
המחקר על מחשבים קוונטיים עדיין בחיתוליו ועדיין לא ברור אילו בעיות מכשיר זה יוכל לפתור באופן יעיל, אך התחום שעליו מרבית החוקרים מסכימים עליו הוא כימיה קוונטית. זו תהיה ככל הנראה ההצלחה המשמעותית ביותר עבור מחשבים קוונטים בתקופה הקרובה.
כימיה קוונטית מלמדת אותנו על הקשרים הכימיים המורכבים בין אטומים ומולקולות- על קשרים אלו ניתן ללמוד בעזרת חוקים של מכניקת הקוונטים. בעזרת אלגוריתמים שניתן ליישם במחשבים קוונטיים מדענים מצפים לגלות דרכים פשוטות יותר, חסכוניות יותר באנרגיה ליצור מולקולות, כדי שתעשיית החומרים ועולם הרפואה יוכלו לחסוך בעלויות ולהגדיל את הייצור. מחשבים קוונטיים עשויים לעזור בפיענוח דנ"א, רפואה מותאמת אישית, הגדלת יעילותם של תאים סולריים ויצירת סוללות חזקות מאוד.
ד"ר המפל, יחד עם קולגות ממרכז לאופטיקה קוונטית והמרכז לאינפורמציה קוונטית באוסטרליה השתמשו במחשב קוונטי עם 20 קיוביטים כדי להריץ אלגוריתם שמדמה קשר כימי של מולקולה הבנויה מאטום המימן וליתיום הידריד (ליתיום הקשור לאטום מימן). המולקולה הזו נבחרה בכוונה משום שזו מולקולה שיחסית קל לדמות אותה גם עם מחשבים קלאסיים (לא קוונטיים) וכך המדענים יכולים לבדוק ולהשוות את התוצאה שקיבלו עם הידע הספרותי הקיים. ד"ר המפל אמר: "זהו צעד משמעותי בקידום טכנולוגיה קוונטית, בעזרת סימולציה זו אנחנו יכולים לבחון מה עובד, מה לא וכיצד ניתן לשפר". במחקר של ד"ר המפל התמקדו הוא וצוותו על דרכים לשפר את האלגוריתם הידוע לדימוי מולקולה זו. על ידי שיכתוב של הקוד הקוונטי החוקרים מצאו דרכים חדשות לדכא את השגיאות בחישוב ולעלות על הדיוק בסימולציה.
על מחשבים קוונטיים וכליאת יונים
המידע במחשבים בייתיים נשמר ומועבד באופן בינארי ביחידות זיכרון הנקראות ביטים (יחידות זיכרון הקטנות ביותר) שיכולות להיות אפס או אחד. כלומר כל תו, או כל פקודה שתקלידו במחשב מתורגם לסט מספרים ייחודיים של 0,1. ביטים אלו בנויים מטרנזיסטורים שהם למעשה מתגים שבמצבים מסוימים מעבירים זרם (במקרה זה נקרא להם 1) או מונעים מהזרם לעבור דרכם (ולמקרה זה נקרא 0). לעומתם, הביטים של המחשב הקוונטי (הנקראים קיוביטים) הם למעשה יונים (חלקיקים טעונים). כדי שחלקיקים ישמשו כטרנזיסטורים צריך למצוא תכונה שיכולה להכיל לפחות שני מצבים שונים בחלקיק (בדומה למתג).
תכונה זו נקראת ספין – חוקרים מפשיטים את התיאור של הספין כאילו החלקיק מסתובב סביב עצמו ממש כמו שכדור הארץ מסתובב סביב עצמו ויוצר את הימים. כאשר החלקיק מסתובב עם כיוון השעון ערכו הבינארי יהיה אפס ונגד כיון השעון ערכו הבינארי יהיה אחד. להבדיל מכדור הארץ שיכול להסתובב רק בכיוון אחד כל פעם, חלקיק קוונטי יכול להיות "קצת" מכל דבר בו זמנית. זוהי תכונה ידועה בקוונטים שנקראת סופר- פוזיציה שמאפשרת לחלקיק להיות במידה מסוימת מסובב עם כיוון השעון ובמידה אחרת להתסובב נגד כיוון השעון. זוהי תכונה לא אינטואיטיבית כי היא נוגדת את המציאות שאליה אנחנו רגילים, אבל בהחלט שגורה שניתנת למדידה בעולם הקוונטי. סופרפוזיציה מאפשרת למחשב קוונטי להיות בכמה מצבים בו זמנית ולאפשר למחשב למצוא את הפיתרון לבעיה במהירות ויעילות, למעשה כל קיוביט מעלה פי 2 את מספר המצבים שהמחשב הקוונטי יכול להיות בו בכל רגע. כדי לשמור על תכונה זו שכה חשובה למחשבים קוונטים (אך לא היחידה) ולבצע באמצעותם חישובים יש צורך לכלוא את החלקיקים במקומם ולבודד אותם מהסביבה.
בעזרת טכנולוגיה ידועה של כליאת יונים על ידי גלי מיקרו ניתן לבנות את המעבד למחשב הקוונטי. החישוב נעשה על ידי איטרקציה עם החלקיקים באמצעות "ירי" ממוקד של קרני לייזר על החלקיקים. גם עם מספר מועט מאוד של קיוביטים, חוקרים סבורים שניתן לפתור בעיות ששום מחשב קלאסי בעולם כיום או בעתיד לא מסוגל לענות.