سه کاربرد کلیدی رایانههای کوانتومی در پیشبرد علم و فناوری, مکانیک کوانتومی درک ما از جهان طبیعی را دگرگون کرده و مبنای پیشرفتهایی از لیزر تا نیمههادیها شده است. اما همانطور که فیزیکدان مشهور ریچارد فاینمن در سال ۱۹۸۱ پیشبینی کرد، برای شبیهسازی کارآمد طبیعت کوانتومی، نیاز به رایانهای داریم که خود بر اساس قوانین کوانتومی کار کند.
پس از بیش از یک دهه تلاش علمی، گوگل گامهای بزرگی در ساخت رایانههای کوانتومی مقیاسبزرگ و اصلاحخطا برداشته است که قادرند مسائل غیرقابلحل برای رایانههای کلاسیک را پوشش دهند. در اینجا سه حوزه حیاتی را بررسی میکنیم که در آنها محاسبه کوانتومی میتواند زندگی بشر را بهبود بخشد. ۱. طراحی داروهای دقیقتر و موثرتر سیستمهای بیولوژیکی بدن انسان پیچیدگی زیادی دارند که درک کامل آنها برای محققان چالشبرانگیز است.
رایانههای کوانتومی با قدرت محاسبه برهمکنشهای مولکولی، درک عمیقتری از متابولیسم و مکانیسمهای عمل داروها فراهم میکنند. به عنوان مثال، در همکاری با شرکت داروسازی ب، نشان داده شده که این رایانهها میتوانند ساختار آنزیم سیتوکروم را با دقت بالا و در زمان کوتاهتری نسبت به روشهای کلاسیک شبیهسازی کنند. این آنزیم نقش کلیدی در تجزیه داروها در جریان خون دارد و مدلسازی دقیق آن، مسیر طراحی درمانهای موثرتر را هموار میسازد. ۲.
نسل جدید باتریها با کارایی بالاتر با افزایش روزافزون تقاضای انرژی، نیاز به تکنولوژیهای ذخیرهسازی بهینه حس میشود. محاسبه کوانتومی امکان کشف مواد نوین برای باتریها را فراهم میکند. در همکاری با شرکت شیمیایی BASF، محققان موفق شدند اکسید لیتیوم نیکل (LNO) را به دقت بالا مدلسازی کنند. این ماده جایگزین بالقوه برای اکسید کبالت است، اثر زیستمحیطی کمتری دارد، اما فرآیند ساخت آن چالشبرانگیز است.
درک مکانیک کوانتومی LNO میتواند فرآیند تولید را بهبود بخشد و به باتریهای کارآمدتر و پایدارتر منجر شود. ۳. انرژی فیوژن رویای انرژی تمیز و بینهایت انرژی فیوژن، همان فرآیندی که ستارگان را روشن میکند، وعده انرژی تمیز و فراوان میدهد، اما تحقق آن در مقیاس صنعتی همچنان موانع دارد. طراحی راکتورهای فیوژن نیازمند مدلسازی مواد در شرایط شدید است که مدلهای کلاسیک در آن دقت لازم را ندارند و منابع محاسباتی عظیم میطلبد.
محققان گوگل در همکاری با آزمایشگاههای ملی ساندیا، نشان دادند که الگوریتمهای کوانتومی روی سختافزار تحملخطا میتوانند مکانیسمهای واکنشهای پایدار فیوژن را به طور موثری شبیهسازی کنند. این پیشرفت میتواند مانع بزرگ را در راه انرژی فیوژن بردارد. این پیشرفتها در پزشکی و انرژی تنها سطحی از پتانسیل محاسبه کوانتومی هستند. با توجه به پیچیدگی این فناوری، امکان حل مسائلی وجود دارد که ما هنوز نحوه پرسش از آنها را نمیدانیم.
اما تحقق کامل این پتانسیل نیازمند پیشرفت در کل پشته فناوری است از ساخت و مقیاسبندی سختافزار و بهبود تصحیح خطا، تا توسعه الگوریتمهای نوین و کاربردهای واقعی. هیچ سازمانی نمیتواند این مسیر را تنها طی کند؛ به همین دلیل همکاری با آکادمی، صنعت و بخش دولتی برای ساخت پیشرفتهترین سیستم محاسبه کوانتومی جهان ادامه دارد.
