تبیان، دستیار زندگی
شبیه سازی (Simulation) نانومتری امروزه به موضوعات جالبی می پردازد که نتیجه بیرونی آن به سرعت مورد استفاده قرار می گیرد.
عکس نویسنده
عکس نویسنده
بازدید :
زمان تقریبی مطالعه :

شبیه سازی واقعیت کوانتومی

قسمت دوم: رویکرد محاسباتی و کامپیوتری


شبیه سازی (Simulation) نانومتری امروزه به موضوعات جالبی می پردازد که نتیجه بیرونی آن به سرعت مورد استفاده قرار می گیرد. بسیاری از نیازهای کاربردی فناوری نانو مربوط به اثراتی است که در محل اتصالات، سطح و یا مرز دو ماده در مقیاس اتمی رخ می دهد و منجر به بروز خواص گوناگون می گردد.

شبیه سازی واقعیت کوانتومی

قسمت اول

شبیه سازی چنین پدیده هایی با استفاده از نظریه کوانتومی بسیار حساس است. اگر چه مدل سازی سیستم های نانومتری با توجه به مولفه های ناشناخته مقیاس نانو بسیار پیچیده است، توسعه آن به دلایل زیر ضروری است:

** کاهش زمان مورد نیاز برای طراحی مواد جدیدتر با قابلیت های بیشتر

** ساخت ابزارهای نانومتری سودمند از مواد معمول

** افزایش قابلیت اعتماد به ابزارهای نانومتری

تاثیرات کوانتومی

اولین بار فاینمن بود که ناتوانی کامپیوتر کلاسیکی را برای شبیه سازی دقیق یک سیستم کوانتومی هر چند نسبتاً کوچک (مثلا 100 ذره) را مطرح ساخت. پیچیدگی سیستم های کوانتومی با افزایش ذرات به شکل نمایی افزایش می یابد، بدین معنی که پارامترهایی را که برای توصیف سیستم کوانتومی لازم می باشند با افزایش اندازه سیستم به طور نمایی افزایش می یابند. در این صورت با افزایش اندازه سیستم تا اندازه معین تعداد پارامترهای سیستم کوانتومی به قدری زیاد می شوند که دیگر نمی توانند در حافظه شبیه ساز کلاسیکی (کامپیوتر امروزی) قرار گیرند. مثلا اگر سیستمی داشته باشیم که از 100 اسپین تشکیل شده باشد تعداد پارامترهایی که لازم است حالت آن را در حالت کلی توصیف کنیم 2100 است كه از کل تعداد اتم های جهان بیشتر می شود. در این صورت کامپیوتر کلاسیکی به بزرگی کل جهان که هر بیت کلاسیکی حافظه آن فقط یک اتم باشد قادر به شبیه سازی دقیق چنین سیستمی در حال کلی نمی باشد. این محدودیت جدی، فاینمن را بر آن داشت که فکر (طرح) شبیه ساز کوانتومی را پیشنهاد کند.

شبیه سازی واقعیت کوانتومی

این شبیه ساز خود یک پردازشگر است که از سیستم کوانتومی تشکیل شده است. در این سناریو تمام مراحل در سمت راست جدول بالا تعمیم کوانتومی داده می شوند یعنی اطلاعات ورودی روی حالتهای کوانتومی این پردازشگر ذخیره می شوند و بالطبع تحول زمانی این حالتها از معادله شرودینگر تبعیت می کند. تحول زمانی حالت ها طبق یک الگوریتم خاص که آن را برای حل یک مسئله مشخص مطرح کردیم، صورت می گیرد. مهم ترین اثری که مانستگی کلاسیکی ندارد و باعث شده است کامپیوتر کوانتومی بسیار قدرتمندتر از کامپیوتر کلاسیکی عمل کند؛ اصل برهمنهی کوانتومی است. این اصل دور از ادراك حسی ما می باشد و مسئول پدیده های مهمی است كه درك حسی آنها غیرممكن است.

رویکرد شبیه سازی

برای هر نوع شبیه سازی یک چارچوب در قالب یک الگوریتم لازم است. الگوریتم واژه ای است که در محاسبات کامیپوتری زیاد دیده می شود. این واژه همان نام ریاضی دان نامی کشورمان خوارزمی است که به زبان انگلیسی بیان می شود. امروزه به روند محاسباتی جدید، الگوریتم گفته می شود. الگوریتم برای انجام هر کاری در کامیپوتر لازم است و دستورالعمل های کامیپوتر بر اساس آن نوشته می شود شبیه سازی نانومتری الگوریتم خاص نیاز دارد.

برای شبیه سازی باید اطلاعاتی به کامپیوتر داده شود (ورود اطلاعات) و دستورالعمل هایی به زبان کامپیوتری تعیین شود که کامپیوتر طبق آن اطلاعات ورودی را مورد محاسبه قرار دهد. مانند یک کارخانه بزرگ اطلاعات ورودی و خروجی باید محلی برای ذخیره سازی داشته باشند. اگر حجم اطلاعات بسیار بالا باشد باید انبار بزرگ تری داشته باشیم.

به کمک نظریات کوانتومی، شبیه سازی دقیق جهت مطالعه خواص نانومواد از جمله خواص الکتریکی و مغناطیسی و شیمیایی و ترمودینامیکی امکان پذیر است

نیاز به محاسبات کوانتومی

در کامپیوتری که قرار است محاسبات سنگین مولکولی را برای شبیه سازی انجام دهد، فضای بالا و توان بالای کامپیوتر ضروری است. این کامپیوترها باید ظرفیتی ده ها برابر بیشتر از کامیپوترهای معمول مورد استفاده امروزی داشته باشند. چیز دیگری که برای انجام محاسبات دقیق روی مولکول ها نیاز است اطلاع از نحوه انجام محاسبات کوانتومی است. برای این کار آشنایی با روش های محاسبات عددی مختلفی که قادر به انجام محاسبات کوانتومی هستند لازم است.

روش های نظری، مدل ساز و شبیه سازی را می توان برای بهبود اندازه گیری های معمول و پیچیده مقیاس نانو در آزمایشگاه انجام داد. این روش ها برای الهام از سیستم های طبیعی برای کاربردهای آینده فناوری نانو قابل استفاده است. همان طور که خیلی از ساختارها و ابزار فناوری نانو در حال حاضر براساس برداشت و درک ما از مولکول های و سیستم های پروتئینی نانومتری طبیعی بوده است.

شبیه سازی واقعیت کوانتومی

به کمک نظریات کوانتومی، شبیه سازی دقیق جهت مطالعه خواص نانومواد از جمله خواص الکتریکی و مغناطیسی و شیمیایی و ترمودینامیکی امکان پذیر است. با این کار هزاران ایده انجام شدنی را قبل از ساخت پر هزینه مواد نانومتری می توان بررسی نمود. خواص ابزارهای نانومتری در محیط های وسیع تری باید مدل شود، به اجبار این مدل سازی باید مقیاس های بزرگ تر از نانو را نیز مدل کند (مقیاس حالت حجیم، مقیاس میکرومتری، مقیاس نانومتری و مقیاس مولکولی) تا یک ایده اولیه را به کاربرد وسیله متصل کرد. شما نمی توانید تنها روی یک چیز مستقل متمرکز شوید ولی بین مفهوم آن با مفاهیم کاربردی ارتباطی برقرار نکنید.

    ادامه دارد...

مریم نایب زاده

بخش دانش و زندگی تبیان


منبع:  nano، sciencedirect، sw-quantum

کتاب آشنایی با فناوری نانو 1، سلیمی، طاهری، احمدوند