پیچیدہ مواد کے الیکٹرانک ڈھانچے کو حل کرنے کے لیے ایک نیا کوانٹم اپروچ

افلاطون کے ذریعہ دوبارہ شائع کیا گیا۔

فالونگ: 0

07 اپریل 2023 (نانورک نیوز) اگر آپ ان ایٹموں کو جانتے ہیں جو کسی خاص مالیکیول یا ٹھوس مواد کو تشکیل دیتے ہیں، تو ان ایٹموں کے درمیان تعامل کا تعین کمپیوٹیشنل طور پر، کوانٹم مکینیکل مساوات کو حل کرکے کیا جا سکتا ہے — کم از کم، اگر مالیکیول چھوٹا اور سادہ ہو۔ تاہم، ان مساواتوں کو حل کرنے کے لیے، جو میٹریل انجینئرنگ سے لے کر ڈرگ ڈیزائن تک کے شعبوں کے لیے اہم ہیں، پیچیدہ مالیکیولز اور مواد کے لیے ایک ممنوعہ طویل کمپیوٹیشنل وقت کی ضرورت ہے۔ اب، یو ایس ڈپارٹمنٹ آف انرجی (DOE) Argonne نیشنل لیبارٹری اور یونیورسٹی آف شکاگو کے Pritzker سکول آف مالیکیولر انجینئرنگ (PME) اور کیمسٹری ڈیپارٹمنٹ کے محققین نے کوانٹم کمپیوٹر کا استعمال کرتے ہوئے ان الیکٹرانک ڈھانچے کو حل کرنے کے امکان کو تلاش کیا ہے۔ یہ تحقیق، جو کہ نئے کمپیوٹیشنل طریقوں کے امتزاج کا استعمال کرتی ہے، میں آن لائن شائع ہوئی تھی۔ جرنل آف کیمیکل تھیوری اینڈ کمپیوٹیشن ("مؤثر انکوڈنگ اور اینسیٹز اسکیموں کے ساتھ فرمیونک ہیملٹونین کے کوانٹم سمولیشنز")۔ اس کی حمایت Q-NEXT، ایک DOE نیشنل کوانٹم انفارمیشن سائنس ریسرچ سنٹر جس کی قیادت Argonne کر رہے تھے، اور Midwest Integrated Center for Computational Materials (MICCoM) نے کی۔ "کمپیوٹیشنل کیمسٹری میں چیلنجنگ مسائل سے نمٹنے کے لیے کوانٹم کمپیوٹرز کے استعمال کی طرف یہ ایک دلچسپ قدم ہے،" جولیا گیلی نے کہا، جس نے ارگون کے ایک اسٹاف سائنسدان اور UChicago کنسورشیم فار ایڈوانسڈ سائنس اینڈ انجینئرنگ (CASE) کے رکن مارکو گوونی کے ساتھ تحقیق کی قیادت کی۔ .

کوانٹم کمپیوٹر کا استعمال کرتے ہوئے پیچیدہ مواد کے الیکٹرانک ڈھانچے کی پیش گوئی کرنا

پروفیسر جیولیا گیلی اور ساتھی محققین نے کوانٹم کمپیوٹر کا استعمال کرتے ہوئے پیچیدہ مواد کے الیکٹرانک ڈھانچے کی پیشین گوئی کرنے کے امکان کو تلاش کیا ہے، جو میٹریل انجینئرنگ سے لے کر ڈرگ ڈیزائن تک کے شعبوں میں پیشرفت ہے۔ (تصویر بشکریہ گلی گروپ)

ایک کمپیوٹیشنل چیلنج

کسی مواد کی برقی ساخت کی پیشن گوئی کرنے میں پیچیدہ مساوات کو حل کرنا شامل ہے جو اس بات کا تعین کرتے ہیں کہ الیکٹران کس طرح تعامل کرتے ہیں، ساتھ ہی یہ ماڈلنگ بھی کہ مختلف ممکنہ ڈھانچے اپنی مجموعی توانائی کی سطحوں میں ایک دوسرے سے کیسے موازنہ کرتے ہیں۔ روایتی کمپیوٹرز کے برعکس جو معلومات کو بائنری بٹس میں محفوظ کرتے ہیں، کوانٹم کمپیوٹرز ایسے qubits کا استعمال کرتے ہیں جو ریاستوں کے سپرپوزیشن میں موجود ہو سکتے ہیں، اور انہیں کچھ مسائل کو زیادہ آسانی اور تیزی سے حل کرنے دیتے ہیں۔ کمپیوٹیشنل کیمیا دانوں نے بحث کی ہے کہ کیا اور کب کوانٹم کمپیوٹرز پیچیدہ مواد کے الیکٹرانک ڈھانچے کے مسئلے کو روایتی کمپیوٹرز سے بہتر طریقے سے حل کرنے کے قابل ہو سکتے ہیں۔ تاہم، آج کے کوانٹم کمپیوٹر نسبتاً چھوٹے رہتے ہیں اور شور والا ڈیٹا تیار کرتے ہیں۔ یہاں تک کہ ان کمزوریوں کے باوجود، گیلی اور اس کے ساتھیوں نے سوچا کہ کیا وہ اب بھی کوانٹم کمپیوٹرز پر الیکٹرانک ڈھانچے کے مسائل کو حل کرنے کے لیے درکار بنیادی کوانٹم کمپیوٹیشنل طریقوں کو بنانے میں پیش رفت کر سکتے ہیں۔ گوونی نے کہا کہ "جس سوال کا ہم واقعی میں جواب دینا چاہتے تھے وہ یہ ہے کہ کوانٹم کمپیوٹرز کی موجودہ حالت کے ساتھ کیا کرنا ممکن ہے۔" "ہم نے سوال پوچھا: یہاں تک کہ اگر کوانٹم کمپیوٹرز کے نتائج شور مچا رہے ہیں، تو کیا وہ مواد سائنس میں دلچسپ مسائل کو حل کرنے کے لیے کارآمد ہو سکتے ہیں؟"

ایک تکراری عمل

محققین نے IBM کوانٹم کمپیوٹرز کا استعمال کرتے ہوئے ایک ہائبرڈ تخروپن کے عمل کو ڈیزائن کیا۔ ان کے نقطہ نظر میں، qubits کی ایک چھوٹی سی تعداد - چار اور چھ کے درمیان - حساب کا حصہ انجام دیتے ہیں، اور نتائج کو پھر کلاسیکل کمپیوٹر کا استعمال کرتے ہوئے مزید پروسیس کیا جاتا ہے۔ گیلی گروپ کے ایک گریجویٹ طالب علم اور نئے مقالے کے پہلے مصنف بینچن ہوانگ نے کہا، "ہم نے ایک تکراری کمپیوٹیشنل عمل ڈیزائن کیا ہے جو کوانٹم اور روایتی کمپیوٹرز دونوں کی طاقتوں سے فائدہ اٹھاتا ہے۔" کئی تکرار کے بعد، نقلی عمل ٹھوس ریاستی مواد میں کئی اسپن نقائص کے درست الیکٹرانک ڈھانچے فراہم کرنے کے قابل تھا۔ اس کے علاوہ، ٹیم نے کوانٹم کمپیوٹر کی طرف سے پیدا ہونے والے موروثی شور کو کنٹرول کرنے اور نتائج کی درستگی کو یقینی بنانے میں مدد کے لیے ایک نئی غلطی کو کم کرنے کا طریقہ تیار کیا۔

مستقبل کی طرف اشارہ

ابھی کے لیے، نئے کوانٹم کمپیوٹیشنل اپروچ کا استعمال کرتے ہوئے حل کیے گئے الیکٹرانک ڈھانچے کو پہلے ہی روایتی کمپیوٹر کا استعمال کرتے ہوئے حل کیا جا سکتا ہے۔ لہذا، یہ دیرینہ بحث ہے کہ آیا کوانٹم کمپیوٹر الیکٹرانک ڈھانچے کے مسائل کو حل کرنے میں کلاسیکی کمپیوٹر سے برتر ہو سکتا ہے یا نہیں۔ تاہم، نئے طریقہ کار کے ذریعے فراہم کردہ نتائج کوانٹم کمپیوٹرز کے لیے زیادہ پیچیدہ کیمیائی ڈھانچے کو حل کرنے کی راہ ہموار کرتے ہیں۔ ہوانگ نے کہا، "جب ہم اسے 100 یا 4 کے بجائے 6 کیوبٹس تک پیمانہ کرتے ہیں، تو ہم سوچتے ہیں کہ ہمیں روایتی کمپیوٹرز پر فائدہ ہو سکتا ہے۔" "لیکن صرف وقت ہی اس بات کا یقین کرے گا." تحقیقی گروپ اپنے نقطہ نظر کو بہتر بنانے اور اسکیل کرنے کے ساتھ ساتھ اسے مختلف قسم کے الیکٹرانک مسائل کو حل کرنے کے لیے استعمال کرنے کا ارادہ رکھتا ہے، جیسے سالوینٹس کی موجودگی میں مالیکیولز، اور پرجوش حالتوں میں مالیکیولز اور مواد۔