اختراق عنق الزجاجة في الديناميات غير الصحيحة: تقنية خوارزمية MLGO الصغيرة، تطور الكم الزائف الزمني، تمكين محاكاة الأنظمة الكمومية المفتوحة

في ظل توجه الحوسبة الكمية بسرعة إلى الطابع الهندسي والتطبيقي، أصبح سؤال كيفية محاكاة الأنظمة الكمية المعقدة بكفاءة وثبات في ظل شروط الأجهزة الكمية الحقيقية أحد أبرز المشكلات التقنية التي تقيد تطور الصناعة. أطلقت شركة Microalgorithm Technology (Microalgorithms Technology) تقنيةً مفتوحة المصدر للمحاكاة الرقمية للأنظمة الكمية المفتوحة، تستند إلى محاكاة زمن خيالي كمّي محسّن (Quantum Imaginary Time Evolution, QITE). وتُعدّ هذه التقنية، للمرة الأولى، ضمن إطار موحّد للحوسبة الكمية الرقمية، محاكاةً قابلة للضبط لديناميكيات الأنظمة الكمية المفتوحة الموصوفة بمعادلة Lindblad.

لطالما اعتُبرت المحاكاة الكمية من أكثر اتجاهات تطبيقات الحوسبة الكمية واقعية. فمن فيزياء المادة المكثفة، إلى الكيمياء الكمية، وصولًا إلى المواد الكمية وتصميم الأجهزة الكمية، تؤدي المحاكاة الكمية دورًا لا يمكن الاستغناء عنه. ومع ذلك، تركز أغلب تقنيات المحاكاة الكمية الحالية على الأنظمة الكمية المغلقة، أي أنها تفترض أن تطور النظام تطورٌ يوني (متوافق مع العمليات اليو نية/المنفصلة) وأن يكون النظام معزولًا بالكامل عن البيئة الخارجية. تُعد هذه الفرضية ذات قيمة كبيرة في الأبحاث النظرية، لكن من الصعب تحققها في العالم الفيزيائي الحقيقي. إن الأنظمة الكمية الحقيقية تتفاعل حتمًا مع البيئة، ومن ثم تنشأ آثار مثل إزالة التماسك والتبدد والتذبذبات، وهي الجذور لكثير من الظواهر الفيزيائية الرئيسية.

تُوصف ديناميكيات الأنظمة الكمية المفتوحة عادةً بالمعادلة التفاضلية الرئيسية في Lindblad، حيث تعتمد المعادلة على مصفوفة الكثافة كمتغير أساسي، وتُدخل حدود تبديد غير يونية، بما يتيح تصويرًا منهجيًا للعمليات غير القابلة للعكس التي تحفزها البيئة. غير أن هذه اللانوية (غير اليونية) هي ما يجعل ديناميكيات Lindblad صعبة التحويل مباشرة إلى الحوسبة على أجهزة الكمبيوتر الكمية الرقمية. تستند أطر الخوارزميات الكمية السائدة الحالية إلى عمليات بوابات يونية، في حين أن تطور Lindblad من حيث الجوهر لا يمثل بوابة يونية واحدة محددة؛ وهذا يشكل تحديًا جذريًا على مستوى الخوارزميات.

إزاء هذه المعضلة، لم تتبع Microalgorithm Technology (NASDAQ:MLGO) نهج الترميز الصريح للبيئة أو مسار الأفكار القائمة على المسارات الكمية العشوائية، بل اختارت الانطلاق من اتجاه تطور الزمن الخيالي—وهو اتجاه تطوري سريع في السنوات الأخيرة—ثم قامت بتوسيعه وإعادة بنائه بشكل منهجي. طُرح تطور الزمن الخيالي في الأصل للعثور على الحالة الأساسية لالأنظمة متعددة الأجسام على جهاز كمّي. وتتمثل فكرته الجوهرية في قمع عدد الأسّ (القياسات الأسية) للحالات عالية الطاقة عبر التطور في اتجاه الزمن الخيالي، ومن ثم الإسقاط التدريجي إلى فضاء الطاقات المنخفضة للنظام. وعلى الرغم من أن تطور الزمن الخيالي نفسه عملية غير يونية، فإن خوارزمية QITE تقوم، من خلال التقريب الموضعي، بتحويل التطور غير اليوني الشامل إلى سلسلة من عمليات يونية موضعية يمكن تنفيذها على الأجهزة الكمية.

إن اختراق Microalgorithm Technology قائم على فهم عميق لبنية خوارزمية QITE من المستوى الأساسي. وقد أشارت مجموعة العمل في Microalgorithm Technology إلى أنه رغم أن ديناميكيات Lindblad ليست مكافئة بالكامل من حيث المعنى الفيزيائي لتطور الزمن الخيالي بالمعنى التقليدي، إلا أن الاثنين يتضمنان مولدات غير يونية على المستوى الرياضي. توفر هذه الملاحظة الرئيسية أساسًا نظريًا لدمج الخوارزميات. ومن خلال إعادة تفكيك سوبر-مشغل Lindblad وإدخال تمثيل مكافئ لتطور الزمن الخيالي، تم بناء إطار جديد للمحاكاة الرقمية للأنظمة الكمية، بحيث يمكن إدراج تطور الأنظمة المفتوحة ضمن نمط خوارزمية QITE.

ضمن إطار هذه التقنية، لا يُنظر إلى ديناميكيات النظام الكمي المفتوح على أنها مشكلة تطور مصفوفة الكثافة مباشرة، بل يتم إعادة صياغتها على هيئة سلسلة من خطوات تطور زمن خيالي خاضعة للضبط وقابلة للتحسين التدريجي. وفي كل خطوة زمنية، يتم تفكيك التطور غير اليوني للنظام إلى مجموعة من مولدات موضعية، ثم يتم تحديد معاملها/مشغل التقريب اليو ني المقابل عبر تصغير اختلاف الحالة على النظام الفرعي الموضعي. تُورث هذه العملية الفكرة الأساسية في خوارزمية QITE المتمثلة في تقييد التطور الكلي بقيود من القياسات الموضعية، مع تصميم مخصص لمعالجة البنية المميزة للتبدد داخل معادلة Lindblad.

لم تقم الخوارزمية ببساطة باعتبار حد Lindblad ضوضاءً مضافة، بل تعاملت معه كمورد ديناميكي قابل للضبط. ومن خلال توصيف دقيق لطريقة عمل مشغلات التبدد داخل الفضاءات الموضعية، يمكن للخوارزمية إعادة تمثيل تأثيرات التطور المحفزة بالبيئة بشكل صريح داخل دوائر كمية رقمية. يتيح هذا النوع من المعالجة أن تعكس نتائج المحاكاة ليس فقط خصائص الحالة المستقرة للنظام، بل أيضًا أن تلتقط السمات الأساسية للعمليات الديناميكية غير المتوازنة، مثل الانتقال الطوري الذي تقوده عملية التبدد، وبنية الحالات شبه المستقرة، وسلوك الديناميكيات عبر الزمن الطويل.

من زاوية التنفيذ التقني، أخذ حل Microalgorithm Technology (NASDAQ:MLGO) في اعتباره بشكل كامل القيود الفعلية للأجهزة الكمية الحالية والآنية القريبة. تم تصميم سير الخوارزمية بالكامل بهدف الاعتماد على دوائر كمية ضحلة، مع تجنب الاعتماد على وحدات كمية مساعدة كبيرة أو بنى تشابك عميقة. تتوافق خطوات تحديث QITE الموضعية بشكل طبيعي مع بنية الأجهزة ذات الاقتران القريب، بينما تتركز عمليات القياس المطلوبة للخوارزمية بشكل أساسي على قياسات موضعية منخفضة الرتبة، مما يتحكم بفعالية في تكلفة القياس. إن ملاءمة هذه التقنية للأجهزة تجعلها قابلة للتطبيق بشكل واقعي في عصر الأجهزة الكمية متوسطة الحجم ضمن حقبة NISQ (الأجهزة الكمية الضوضائية القريبة من الحجم المتوسط).

من ناحية ثبات الخوارزمية، أدخلت Microalgorithm Technology أطوال خطوات زمنية تكيفية واستراتيجية للتماثل/التطبيع (Normalization) لمواجهة مشكلة التناقص السريع لقيم السعات الاحتمالية أثناء تطور الزمن الخيالي. ومن خلال تعديل طول خطوة التطور ودقة التقريب الموضعي ديناميكيًا، يمكن للخوارزمية المحافظة على الاستقرار العددي مع الاقتراب تدريجيًا من مسارات ديناميكيات Lindblad الحقيقية. لا يعمل هذا التصميم على تحسين دقة المحاكاة فحسب، بل يوسع أيضًا بشكل ملحوظ نطاق المقاييس الزمنية القابلة للمحاكاة، مما يجعل أبحاث الديناميكيات طويلة الأمد ممكنة.

من زاوية التطبيق، تتمتع هذه التقنية بقيمة محتملة واسعة جدًا. ففي مجال المواد الكمية، تقود تأثيرات الأنظمة المفتوحة العديد من الخصائص الأساسية، مثل حالات ذات بنى طوبولوجية مقترنة بالبيئة، وبنى منظمة ينشئها التبدد. وفي هندسة الأجهزة الكمية، تُعدّ الفهم والمحاكاة لآليات إزالة التماسك حاسمة لتحسين تصميم الكيوبت. إضافة إلى ذلك، في الديناميكا الحرارية الكمية، وعلم الأحياء الكمي، ومعالجة المعلومات الكمية، تُعد الأنظمة الكمية المفتوحة موضوعًا لا يمكن تجنبه للدراسة.

تُظهر هذه النتيجة على مستوى المنهجية مسارًا تطوريًا يستحق الاهتمام، إذ تُبيّن أن الديناميكيات غير اليونية ليست منطقة محظورة بطبيعتها أمام الحوسبة الكمية الرقمية؛ فمن خلال إعادة تصميم بنية الخوارزمية وإعادة تفسير المعنى الفيزيائي، يمكن تحقيق وصف فعال لسلوك الأنظمة المفتوحة المعقدة ضمن نموذج بوابات يونية. إن طرح هذه الفكرة يحمل دلالات عميقة لتصميم الخوارزميات الكمية في المستقبل.

تصرّح Microalgorithm Technology بأن المرحلة التالية، تخطط لتحسين قابلية الخوارزمية للتوازي بشكل إضافي، واستكشاف إمكاناتها في التطبيقات ضمن الحوسبة الكمية الموزعة والأنظمة الهجينة بين الكم والـكلاسيك. وفي الوقت نفسه، من المتوقع أيضًا أن تتعاون هذه التقنية مع اتجاهات مثل تخفيف الأخطاء والتحكم الكمي لتوفير أساس لبناء منصة محاكاة كمية أكثر موثوقية.

في المرحلة الحاسمة التي تنتقل فيها الحوسبة الكمية تدريجيًا من التحقق من قابلية التنفيذ إلى الاستخدام الهندسي العملي، تقدم Microalgorithm Technology (NASDAQ:MLGO) بلا شك نموذجًا تقنيًا استشرافيًا للصناعة، وذلك بفضل استكشافها المنهجي الذي تدور حوله عمليات تطور الزمن الخيالي والأنظمة الكمية المفتوحة. ومن خلال الجمع بين رؤى فيزيائية عميقة والقيود الفعلية للأجهزة، لا تعمل هذه التقنية على توسيع حدود قدرة المحاكاة الكمية الرقمية فحسب، بل تفتح أيضًا نافذة جديدة لفهم الظواهر الكمية في العالم الحقيقي.

(المحرر: دونغ بينغبينغ)

     【إخلاء المسؤولية】تعبّر هذه المقالة فقط عن آراء مؤلفها ولا علاقة لها بــ Hexun. يحتفظ موقع Hsiexun بالموقف المحايد تجاه ما ورد في النص من تصريحات وآراء وتقديرات، ولا يقدم أي ضمان صريح أو ضمني فيما يتعلق بدقة أو موثوقية أو اكتمال المحتوى المتضمن. يُرجى من القراء الاكتفاء بالاطلاع، ويتحملون مسؤوليتهم الكاملة بأنفسهم. البريد الإلكتروني: news_center@staff.hexun.com