يمكن برمجة الأجهزة المعروفة باسم أجهزة الكمبيوتر الكمومية لتشغيل خوارزميات مختلفة ، وبالتالي الاستغناء عن الحاجة إلى إنشاء أجهزة كمبيوتر كمومية جديدة لوظائف مختلفة. إن عمليات محاكاة الكم الرقمية الكاملة على مثل هذا الجهاز سوف تتيح إحراز تقدم كبير في مجموعة واسعة من التخصصات ، من كيمياء الكم وعلوم المواد إلى فيزياء الطاقة العالية الأساسية. ومع ذلك ، بالنسبة لهذا النهج ، يظل من الصعب دمج العديد من البتات الكمية (وحدات البت) اللازمة لعمليات المحاكاة المعقدة. على النقيض من ذلك ، توجد بالفعل أجهزة محاكاة الكم التناظرية على نطاق واسع في مختبرات اليوم. ولكن ، على عكس نظيراتها الرقمية ، فإن هذه المحاكاة ليست قابلة للبرمجة بشكل عام ، وغالبًا ما تُعتبر أجهزة مخصصة الغرض. الآن ، فيورقة في الطبيعة، كوكيل وآخرون . ¹ تقرير عن جهاز محاكاة الكم التناظرية قابلة للبرمجة والتي لديها القدرة على أن تكون قابلة للتحجيم.

تعمل محاكاة المؤلفين على مزيج من الكمبيوتر الرقمي الكلاسيكي ومعالج الكم التناظرية. هذا الأخير يقوم بالعمل الشاق لإعداد الحالات التجريبية - حالات الكم التي تستخدم لتقييم الكميات المادية. يحلل الكمبيوتر الكلاسيكي نتائج هذه التقييمات ، بهدف تحسين بعض المعلمات القابلة للتعديل (المتغيرة) التي تعتمد عليها حالات التجربة. يقترح هذا الكمبيوتر بعد ذلك المعلمات المحسّنة على زميله الكمومي في حلقة التغذية الراجعة. في الدراسة ، يحتوي الجهاز الكمّي على خط للأيونات الذرية التي يمثل كل منها غالبًا. يمكن استخدام هذه الأيونات المحتجزة في عمليات المحاكاة التناظرية للأنظمة الكمومية الأخرى ، والتي يمكن أن تكون مختلفة تمامًا عن الأيونات نفسها.

يستخدم كوكيل وزملاؤه هذه المجموعة لإجراء محاكاة كمية للحالة الأرضية للإلكترونات مقرونة بالضوء - وهو نظام موصوف بنظرية الديناميكا الكهربائية الكمية في بعد مكاني واحد. شارك بعض المؤلفين في أول محاكاة رقمية لهذه النظرية ، على كمبيوتر كمومي عالمي رباعي qubit ² . على النقيض من ذلك ، يتضمن الإعداد الحالي ما يصل إلى 20 بت. وعلى الرغم من أنه غير عالمي ، إلا أنه يمكن استخدام نفس جهاز محاكاة الكم التناظرية لدراسة مجموعة واسعة من النماذج التي يمكن تعريفها على الشبكة في فيزياء المواد المكثفة والطاقة العالية. هذه التطبيقات مقيدة فقط بالمتطلبات العامة ، مثل تماثلات النظام المادي المطلوب محاكاته.

تم عرض خوارزميات هجائية كلاسيكية مماثلة ، باستخدام ما يصل إلى ستة بتات ، في كيمياء الكم ، وفيزياء المواد المكثفة وفيزياء الطاقة العالية ^3 - 5 . فيما يتعلق بالخاصية الرئيسية لإمكانية التوسع ، يمكن أن تكون القدرات الحاسوبية للكمبيوتر التقليدي المعني مقيدة للغاية. ومع ذلك ، كوكيل وآخرون. إظهار طريقة واعدة للمضي قدمًا ، والتي تستند أساسًا إلى تحديد واستخدام التماثلات المادية التقريبية لتقليل عدد المعلمات المتغيرة التي يلزم تحديدها بواسطة الكمبيوتر الكلاسيكي.

يتناول كوكيل وزملاؤه أيضًا السؤال الحاسم المتمثل في كيفية التحقق من صحة نتائج محاكاة الكم الواسعة النطاق. بالإضافة إلى حساب متوسط طاقة الحالة الأساسية في تركيبتها ، يحسب المؤلفون مقدار الطاقة المتفاوتة من هذه القيمة المتوسطة. وجدوا أن التباين صغير بدرجة كافية حتى يمكن اعتبار النتائج موثوقة. قد لا تبدو طاقة الحالة الأرضية للديناميكا الكهربائية الكمومية هي أفضل مثال لإظهار قوة منهج المؤلفين - من حيث المبدأ ، يمكن الحصول على النتائج في هذه الحالة على أي كمبيوتر عادي باستخدام تقنيات محاكاة كلاسيكية قياسية. لكن هذه الحقيقة بالتحديد هي التي تجعل المثال حالة اختبار قيمة.

هناك العديد من المشكلات الملحة الأخرى التي يمكن أن تكون أجهزة المحاكاة التي تتضمن أجهزة الكم التناظرية فيها مغيّرة للألعاب. مثال على هذه المشكلة هو نموذج Hubbard ⁶، وهو نموذج لديناميات الإلكترونات مرتبة على شبكة دورية. على الرغم من بساطته وإمكانية استخدامه في مجموعة متنوعة من التطبيقات التكنولوجية ، لا يزال نموذج هوبارد يمثل مشكلة صعبة بشكل عام. الإلكترونات هي فرميونات - جزيئات لها خاصية رئيسية هي أن واحدة منها فقط يمكنها أن تشغل حالة كمية معينة في أي وقت معين. يتم محاكاة مثل هذا السلوك بكفاءة أكبر باستخدام جهاز تمثيلي ، بدلاً من جهاز رقمي. إنه احتمال مثير للتطبيقات المستقبلية التي يمكن دمجها fermions في Kokail ومجموعة الزملاء تنوعا ، وذلك بمساعدة معالج الكم الذي يحتوي على ذرات fermionic ultracold.

بشكل عام ، يمكن أن تكون أجهزة محاكاة الكم التناظرية على نطاق واسع أكثر تنوعًا مما كان متوقعًا على أساس سلوكها مع عدد قليل من البتات. وذلك لأن أنظمة الكم العديدة للجسم يمكن أن تتصرف بشكل مختلف تمامًا عن الأنظمة القليلة للجسم. على سبيل المثال ، في الفيزياء ذات الطاقة العالية ، يعد الفراغ "الفارغ" بالفعل نظامًا كميًا معقدًا يتطلب عددًا كبيرًا من البتات لمحاكاة ذلك. ومع ذلك ، فقط مجموعة فرعية صغيرة من التفاصيل المجهرية للنظرية الأساسية هي ذات الصلة لحساب الخصائص الفيزيائية القابلة للقياس ، وذلك باستخدام مفهوم يعرف باسم برنامج إعادة التوحيد لنظرية مجال الكم ⁷ . نتيجة لذلك ، بالنسبة لمحاكاة الكم التناظرية لمثل هذه النظرية الأساسية ، فإن العديد من الخصائص التفصيلية للجهاز ليس لها أي تأثير على نتائج المحاكاة.

الحالة القصوى هي عندما تصبح ديناميات النظام الكمي للعديد من الجسم "عالمية" بالكامل. هنا ، تعني العالمية أن بعض الخصائص القابلة للقياس لا تعتمد على التفاصيل المجهرية. بعد ذلك ، يمكن استخدام جهاز كم تناظري واحد لمحاكاة جميع الأنظمة الفيزيائية التي تنتمي إلى نفس فئة العالمية ، مع مراعاة المتطلبات العامة فقط مثل التماثل المادي. هذا المفهوم راسخ لبعض الخصائص الأرضية أو الثابتة. ولكن تم توسيع الشمولية الآن لتشغيل عمليات محاكاة الكم التناظرية للجوانب الديناميكية بعيدة عن الحالة الأساسية ، مثل ديناميات الكون المبكر ، بمساعدة ذرات فائقة السرعة ^8 ، 9 .

كما يشير كوكيل وزملاؤه ، فإن التطورات المستقبلية قد تسد أو حتى تسد بعض الفجوات بين مفاهيم محاكاة الكم التناظرية الرقمية. عمل المؤلفين هو خطوة أساسية في هذا الاتجاه.