تخيل أنك تحاول التنبؤ بالطقس. لديك نموذج فائق التعقيد بمليارات المتغيرات: سرعة الرياح، الرطوبة، الضغط، ودرجة حرارة كل قطرة مطر. إذا حاولت حساب النتيجة الدقيقة لكل سيناريو محتمل في آن واحد، فإن حاسوبك سينفجر من كمية البيانات الهائلة. هذه هي المعاناة اليومية للعلماء الذين يحاولون محاكاة الحواسيب الكمومية، تلك الآلات الصغيرة فائقة السرعة التي تعد بإحداث ثورة في الكيمياء والطب.

في العالم الكمومي، تتصرف الجسيمات مثل الإلكترونات كأمواج وجسيمات في نفس الوقت، ويمكن أن تكون "متشابكة"، مما يعني أنها مرتبطة عبر الفضاء بطرق تتحدى المنطق السائد. لمحاكاة نظام كمومي، يتعين على العلماء عادةً تتبع احتمالية كل ترتيب ممكن لهذه الجسيمات. بالنسبة لنظام يحتوي على 50 جسيماً فقط، فإن عدد الاحتمالات هائل لدرجة أن الحاسوب الخارق سيستغرق وقتاً أطول من عمر الكون للتحقق منها جميعاً. لهذا السبب نحتاج إلى "المحاكيات" (Simulators)—وهي برمجيات تعمل على حواسيبنا العادية لتخمين ما قد يفعله الحاسوب الكمومي، حتى نتمكن من اختبار الأفكار قبل بناء الشيء الحقيقي. ولكن بالنسبة للعديد من المشكلات الكيميائية المفيدة، حتى هذه المحاكيات تصطدم بحائط مسدود؛ فهي تتعثر لأن الرياضيات تصبح ثقيلة جداً، كأنك تحاول حمل جبل في حقيبة ظهر.

هنا يأتي دور ExtraFerm، وهي أداة جديدة قدمها فريق من الباحثين تعمل كاختصار ذكي عبر ذلك الجبل. فبدلاً من محاولة حمل الجبل بأكمله، تعرف ExtraFerm المسار الصحيح الذي يجب اتخاذه للوصول إلى الإجابة التي تحتاجها بالفعل. إنها تركز على نوع معين من الدارات الكمومية المستخدمة في الكيمياء—وهي الدارات التي يظل فيها عدد الجسيمات ثابتاً، مثل لعبة "الكراسي الموسيقية" حيث لا يغادر أحد الغرفة أبداً. تتكون هذه الدارات غالباً من "بوابات مطابقة" (matchgates)، وهي سهلة التعامل بالنسبة للحواسيب، ولكنها تتضمن أحياناً بعض "بوابات الطور المتحكم بها" (controlled-phase gates) التي تجعل الأمور معقدة. تم تصميم ExtraFerm للتعامل مع هذه البوابات الصعبة دون أن تصاب بالارتباك؛ فهي لا تحاول حساب كل احتمال في الكون، بل تستخدم طريقة أخذ عينات ذكية لتقدير النتائج الأكثر أهمية بدقة عالية.

تثبت الورقة البحثية أن هذه الأداة تُعد نقطة تحول لمشكلات كيميائية محددة. فباسترشاد بـ ExtraFm، تمكن الباحثون من محاكاة أنظمة مكونة من 52 و60 كيوبت (النسخة الكمومية من البتات)، وهو أمر كان مستحيلاً للمحاكيات التقليدية بسبب حدود الذاكرة. لقد اختبروها على طريقة تسمى "القطرية الكمومية القائمة على العينات" (Sample-Based Quantum Diagonalization - SQD)، والتي تُستخدم لإيجاد مستويات الطاقة للجزيئات. ومن خلال استخدام ExtraFerm لاختيار النتائج الأكثر احتمالاً في وقت مبكر من العملية، نجحوا في تحسين دقة تقديرات الطاقة لجزيئات مثل النيتروجين ($N_2$) وسلسلة من 30 ذرة هيدروجين ($H_{30}$). والأفضل من ذلك؟ أن الأداة لم تضف وقتاً إضافياً يُذكر للحسابات—أقل من 2% كعبء إضافي في بعض الحالات. إنه يشبه امتلاك جهاز GPS لا يجد الطريق الأسرع فحسب، بل يوفر الوقود أيضاً، مما يسمح للكيميائيين بالحصول على إجابات أفضل من الحواسيب الكمومية المليئة بالضجيج وغير المثالية اليوم.

قصة ExtraFerm

تخيل الدارة الكمومية كمتاهة سحرية ضخمة. تسقط كرة رخام (تمثل جسيماً) عند البداية، وتتحرك عبر سلسلة من المرايا والأبواب. في المحاكاة الكمومية القياسية، يتعين عليك تتبع مسار الكرة عبر كل طريق ممكن يمكن أن تسلكه في وقت واحد. إذا كانت المتاهة تحتوي على 60 غرفة، فإن عدد المسارات شاسع لدرجة أن أي حاسوب لن يستطيع تدوينها جميعاً. هنا تفشل طريقة "متجه الحالة" (state vector)؛ فهي تحاول رسم خريطة كاملة، فتنفد الذاكرة.

تتبع ExtraFm نهجاً مختلفاً. فهي تدرك أنه بالنسبة للعديد من المشكلات الكيميائية، للمتاهة قاعدة خاصة: عدد كرات الرخام لا يتغير أبداً. تبدأ بـ 10 كرات، وتنتهي بـ 10 كرات. يطلق الباحثون على هذه الدارات اسم "الدارات الحافظة لعدد الجسيمات". معظم الأبواب في هذه المتاهة هي "بوابات مطابقة"، وهي بسيطة ومتوقعة. ومع ذلك، هناك بعض "بوابات الطور المتحكم بها" الخاصة التي تعمل كأبواب تحويل معقدة، مما يجعل المسارات تتداخل مع بعضها بطرق معقدة.

تقدم الورقة البحثية ExtraFerm كمحاكي لا يحاول رسم خريطة المتاهة بأكملها. بدلاً من ذلك، تستخدم تقنية تسمى "أخذ عينات المسارات" (trajectory sampling). تخيل أنك تحاول تخمين النتيجة النهائية لمباراة من خلال مشاهدة بضع جولات تدريبية. تقوم ExtraFm بتوليد آلاف "المسارات"—وهي نسخ وهمية من المتاهة حيث يتم ضبط المفاتيح المعقدة على أحد خيارين بسيطين. تقوم بتشغيل عمليات المحاكاة هذه، وتجمع النتائج، وتستخدم ذلك لتقدير احتمالية انتهاء مسار الكرة في مكان محدد.

تظهر الورقة أن هذه الطريقة فعالة للغاية. فبينما ينفجر استخدام الذاكرة في المحاكي التقليدي مع إضافة المزيد من الكيوبتات (مثل بالون ينفجر عند إضافة الكثير من الهواء)، يظل استخدام الذاكرة في ExtraFm ثابتاً ومقدوراً عليه. في اختباراتهم، قاموا بمحاكاة دوارات تصل إلى 60 كيوبت. كان المحاكي القياسي سيحتاج إلى ذاكرة أكثر مما يوجد على كوكب الأرض للقيام بذلك، لكن ExtraFerm فعلت ذلك على حاسوب عادي.

وجد الباحثون أيضاً أن سرعة ExtraFerm تعتمد على مدى "التواء" البوابات المعقدة. إذا كانت زوايا هذه البوابات صغيرة، تكون المحاكاة سريعة. وإذا كانت كبيرة، فإنها تتطلب المزيد من "المسارات" (أي جولات تدريبية أكثر) للحصول على إجابة دقيقة. ومع ذلك، حتى في أسوأ الحالات، كانت لا تزال أسرع بكثير وتستخدم ذاكرة أقل بكثير من الطرق الأخرى مثل "شبكات الموتر" (tensor networks) أو محاكيات "متجه الحالة".

وضعها تحت الاختبار: خدعة "البداية الدافئة"

لإثبات أن ExtraFerm تعمل في العالم الحقيقي، استخدمها الفريق لتحسين طريقة تسمى القطرية الكمومية القائمة على العينات (SQD). تُعد SQD وسيلة لمعرفة طاقة الجزيء عن طريق أخذ عينات من حاسوب كمومي. تخيل أنك تحاول العثيد أدنى نقطة في وادٍ ضبابي (طاقة الحالة الأرضية). تأخذ مجموعة من الخطوات العشوائية (عينات) وتبحث عن أدنى بقعة.

المشكلة هي أن الحواسيب الكمومية "صاخبة" (noisy)؛ فهي ترتكب أخطاء، لذا قد تحصل أحياناً على عينة لا تبدو منطقية (مثل جزيء بعدد خاطئ من الإلكترونات). تحتوي SQD على خطوة تسمى "استعادة التكوين" لإصلاح هذه الأخطاء. عادةً، تختار هذه الطة العينات الأكثر شيوعاً لبناء نموذجها. لكن الباحثين أدركوا أن العينات الأكثر شيوعاً ليست دائماً هي الأكثر دقة.

لقد قدموا نهج "البداية الدافئة" (warm-start). قبل اختيار العينات، استخدموا ExtraFerm لحساب الاحتمالية الحقيقية لكل عينة مصححة. ثم، بدلاً من الاختيار عشوائياً، اختاروا عمداً العينات التي قالت ExtraFerm إنها الأكثر احتمالاً لأن تكون صحيحة. الأمر يشبه وجود دليل يعرف التضاريس ويشير لك نحو أفضل الأماكن للبحث، بدلاً من مجرد التجول عشوائياً.

كانت النتائج مبهرة. بالنسبة لجزيء النيتروجين ($N_2$) بـ 52 كيوبت، قللت هذه الطريقة الخطأ في تقديرات الطاقة بنسبة تتراوح بين 13% إلى 18%. وبالنسبة لسلسلة الهيدروجين ($H_{30}$) بـ 60 كيوبت، كان التحسن أكبر، حيث قللت الأخطاء بنسبة تتراوح بين 43% إلى 54%. تشير الورقة إلى أنه على الرغم من أن هذه النتائج ليست مثالية بعد (لم تصل بعد إلى عتبة "الدقة الكيميائية" القصوى)، إلا أنها خطوة كبيرة للأمام. والأهم من ذلك، أن تكلفة استخدام ExtraFerm كانت ضئيلة، حيث لم تضف سوى أقل من 2% إلى الوقت الإجمالي المطلوب للحساب.

ماذا يعني هذا؟

لا تدعي الورقة البحثية أنها حلت جميع مشكلات الكيمياء الكمومية أو بنت حاسوبًا كموميًا مثاليًا. بدلاً من ذلك، هي تقدم أداة قوية لمشكلة محددة وصعبة. إنها تظهر أنه من خلال التركيز على نوع معين من الدارات (تلك التي تحفظ عدد الجسيمات) واستخدام أخذ العينات الذكي بدلاً من القوة الغاشمة، يمكننا محاكاة أنظمة كانت بعيدة المنال سابقاً.

يقترح المؤلفون أن هذه الأداة يمكن أن تساعد الباحثين في الحصول على نتائج أفضل من الحواسيب الكمومية المتاحة لدينا اليوم. فمن خلال استخدام ExtraFerm لـ "تنظيف" البيانات أو توجيه البحث عن الإجابات الصحيحة، يمكننا جعل الحواسب الكمومية القريبة من الواقع أكثر فائدة في مجالات اكتشاف الأدوية وعلوم المواد. وتخلص الورقة إلى أنه على الرغم من استمرار العمل، فإن ExtraFerm تفتح آفاقاً جديدة للجمع بين الحوسبة الكلاسيكية والكمومية لحل مشكلات الكيمياء في العالم الحقيقي. إنها تذكير بأنه في بعض الأحيان، لا تحتاج إلى حساب كل شيء للعثور على الإجابة؛ بل تحتاج فقط إلى حساب الأشياء الصحيحة.