آي بي إم تقول إن تقدم الحوسبة الكمومية يبدأ عصرًا جديدًا

أجهزة الكمبيوتر الكمومية اليوم صغيرة في النطاق الحسابي – تحتوي الشريحة الموجودة داخل هاتفك الذكي على مليارات الترانزستورات بينما يحتوي أقوى كمبيوتر كمي على بضع مئات من المكافئ الكمي للترانزستور. هم أيضا لا يمكن الاعتماد عليها. إذا قمت بإجراء نفس الحساب مرارًا وتكرارًا ، فمن المرجح أن ينتجوا إجابات مختلفة في كل مرة.

ولكن مع قدرتها الجوهرية على النظر في العديد من الاحتمالات في وقت واحد ، لا يجب أن تكون أجهزة الكمبيوتر الكمومية كبيرة جدًا لمعالجة بعض المشاكل الشائكة للحساب ، ويوم الأربعاء ، أعلن باحثو IBM أنهم ابتكروا طريقة لإدارة عدم الموثوقية بطريقة من شأنه أن يؤدي إلى إجابات موثوقة ومفيدة.

قالت دوريت أهارونوف ، أستاذة علوم الكمبيوتر في الجامعة العبرية في القدس والتي لم تشارك في البحث: “ما أظهرته شركة آي بي إم هنا هو حقًا خطوة مهمة بشكل مذهل في هذا الاتجاه لإحراز تقدم نحو تصميم خوارزمية كمومية جادة”.

بينما زعم الباحثون في Google في عام 2019 أنهم حققوا “تفوقًا كميًا” – وهي مهمة يتم إجراؤها بسرعة أكبر على كمبيوتر كمي من الكمبيوتر التقليدي – يقول باحثو IBM إنهم حققوا شيئًا جديدًا وأكثر فائدة ، وإن كان اسمه أكثر تواضعًا.

قال جاي جامبيتا ، نائب رئيس آي بي إم كوانتوم: “نحن ندخل هذه المرحلة من الحوسبة الكمية التي أسميها المنفعة”. “عصر المنفعة.”

وصف فريق من علماء IBM الذين يعملون لحساب الدكتور غامبيتا نتائجهم في ورقة بحثية نُشرت يوم الأربعاء في مجلة Nature.

تسمى أجهزة الكمبيوتر الحالية بالرقمية ، أو الكلاسيكية ، لأنها تتعامل مع أجزاء من المعلومات إما 1 أو 0 ، في وضع التشغيل أو الإيقاف. يقوم الكمبيوتر الكمي بإجراء عمليات حسابية على وحدات البت الكمومية ، أو الكيوبتات ، التي تلتقط حالة أكثر تعقيدًا من المعلومات. تمامًا كما افترضت تجربة فكرية قام بها الفيزيائي إروين شرودنجر أن القطة يمكن أن تكون في حالة كمومية ميتة وحيوية ، يمكن أن يكون الكيوبت 1 و 0 في نفس الوقت.

يسمح ذلك لأجهزة الكمبيوتر الكمومية بإجراء العديد من العمليات الحسابية في مسار واحد ، بينما يتعين على الأجهزة الرقمية إجراء كل عملية حسابية على حدة. من خلال تسريع العمليات الحسابية ، يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية أن تحل مشاكل كبيرة ومعقدة في مجالات مثل الكيمياء وعلوم المواد التي يصعب الوصول إليها اليوم. يمكن أن يكون لأجهزة الكمبيوتر الكمومية أيضًا جانب مظلم من خلال تهديد الخصوصية من خلال الخوارزميات التي تكسر الحماية المستخدمة لكلمات المرور والاتصالات المشفرة.

عندما قدم باحثو Google ادعاءهم بالتفوق في عام 2019 ، قالوا إن جهاز الكمبيوتر الكمومي الخاص بهم أجرى عملية حسابية في 3 دقائق و 20 ثانية ، والتي ستستغرق حوالي 10000 عام على أحدث كمبيوتر عملاق تقليدي.

لكن بعض الباحثين الآخرين ، بما في ذلك أولئك في IBM ، رفضوا الادعاء ، قائلين إن المشكلة مفتعلة. قال الدكتور أهارونوف ، الذي يعمل أيضًا كرئيس تنفيذي للاستراتيجية في شركة Qedma ، وهي شركة للحوسبة الكمومية: “تجربة Google ، على الرغم من إعجابها بالإعجاب ، وكانت حقًا مثيرة للإعجاب ، فهي تقوم بشيء غير مثير للاهتمام لأي تطبيقات”.

تبين أيضًا أن حساب Google أقل إثارة للإعجاب مما ظهر لأول مرة. تمكن فريق من الباحثين الصينيين من إجراء نفس الحساب على كمبيوتر عملاق غير كمي في أكثر من خمس دقائق بقليل ، أسرع بكثير من 10000 عام التي قدّرها فريق Google.

قام باحثو IBM في الدراسة الجديدة بمهمة مختلفة ، مهمة تثير اهتمام علماء الفيزياء. استخدموا معالجًا كميًا يحتوي على 127 كيوبت لمحاكاة سلوك 127 شريطًا مغناطيسيًا على نطاق ذري – صغير بما يكفي لتحكمه القواعد المخيفة لميكانيكا الكم – في مجال مغناطيسي. هذا نظام بسيط يُعرف باسم نموذج Ising ، والذي يستخدم غالبًا لدراسة المغناطيسية.

هذه المشكلة معقدة للغاية بحيث لا يمكن حساب إجابة دقيقة حتى على أكبر وأسرع أجهزة الكمبيوتر العملاقة.

على الكمبيوتر الكمومي ، استغرق الحساب أقل من جزء من الألف من الثانية لإكماله. كان كل حساب كمي غير موثوق به – تقلبات الضوضاء الكمومية تتطفل حتمًا وتحدث أخطاء – لكن كل حساب كان سريعًا ، لذلك يمكن إجراؤه بشكل متكرر.

في الواقع ، بالنسبة للعديد من الحسابات ، تمت إضافة ضوضاء إضافية بشكل متعمد ، مما جعل الإجابات غير موثوقة بدرجة أكبر. ولكن من خلال تغيير كمية الضوضاء ، يمكن للباحثين استنباط الخصائص المحددة للضوضاء وتأثيراتها في كل خطوة من خطوات الحساب.

قال أبيناف كاندالا ، مدير القدرات والعروض الكمومية في آي بي إم كوانتوم ومؤلف بحث الطبيعة: “يمكننا تضخيم الضوضاء بدقة شديدة ، ومن ثم يمكننا إعادة تشغيل نفس الدائرة”. “وبمجرد أن نحصل على نتائج مستويات الضوضاء المختلفة هذه ، يمكننا استقراء ما كانت ستكون النتيجة في حالة عدم وجود ضوضاء.”

في الأساس ، كان الباحثون قادرين على طرح تأثيرات الضوضاء من الحسابات الكمومية غير الموثوقة ، وهي عملية يسمونها تخفيف الخطأ.

قال الدكتور أهارونوف: “عليك تجاوز ذلك من خلال ابتكار طرق ذكية للغاية لتخفيف الضوضاء”. “وهذا ما يفعلونه.”

إجمالاً ، أجرى الكمبيوتر العملية الحسابية 600000 مرة ، متقاربًا في إجابة للمغنطة الكلية التي تنتجها مغناطيس 127 بار.

ولكن ما مدى جودة الجواب؟

للمساعدة ، لجأ فريق IBM إلى علماء الفيزياء في جامعة كاليفورنيا ، بيركلي. على الرغم من أن نموذج Ising الذي يحتوي على 127 بارًا مغناطيسيًا كبيرًا جدًا ، مع وجود عدد كبير جدًا من التكوينات الممكنة ، بحيث لا يتناسب مع جهاز كمبيوتر تقليدي ، إلا أن الخوارزميات الكلاسيكية يمكن أن تنتج إجابات تقريبية ، وهي تقنية مشابهة لكيفية الضغط في صور JPEG على التخلص من البيانات الأقل أهمية لتقليل حجم الملف مع الحفاظ على معظم تفاصيل الصورة.

قال مايكل زاليتل ، أستاذ الفيزياء في بيركلي ومؤلف ورقة الطبيعة ، إنه عندما بدأ العمل مع شركة IBM ، اعتقد أن خوارزمياته الكلاسيكية ستعمل بشكل أفضل من الخوارزميات الكمومية.

قال الدكتور زالتل: “اتضح أن الأمر مختلف قليلاً عما كنت أتوقع”.

يمكن حل تكوينات معينة لنموذج Ising تمامًا ، واتفق كل من الخوارزميات الكلاسيكية والكمية على الأمثلة الأبسط. بالنسبة للحالات الأكثر تعقيدًا ولكن القابلة للحل ، أنتجت الخوارزميات الكمومية والكلاسيكية إجابات مختلفة ، وكان الكم هو الصحيح.

وبالتالي ، بالنسبة للحالات الأخرى التي تباعدت فيها الحسابات الكمومية والحسابات الكلاسيكية ولا توجد حلول دقيقة معروفة ، “هناك سبب للاعتقاد بأن النتيجة الكمومية أكثر دقة” ، كما قال ساجانت أناند ، طالب دراسات عليا في بيركلي قام بالكثير من العمل على التقريبات الكلاسيكية.

ليس من الواضح أن الحوسبة الكمومية هي الفائز بلا منازع على التقنيات الكلاسيكية لنموذج Ising.

يحاول السيد أناند حاليًا تنفيذ نسخة من تخفيف الأخطاء للخوارزمية الكلاسيكية ، ومن الممكن أن تتطابق أو تتجاوز أداء الحسابات الكمومية.

قال الدكتور زاليتل: “ليس من الواضح أنهم حققوا التفوق الكمي هنا”.

على المدى الطويل ، يتوقع علماء الكم أن نهجًا مختلفًا ، وهو تصحيح الخطأ ، سيكون قادرًا على اكتشاف أخطاء الحساب وتصحيحها ، وهذا سيفتح الباب أمام أجهزة الكمبيوتر الكمومية للإسراع في استخدامات عديدة.

تصحيح الخطأ مستخدم بالفعل في أجهزة الكمبيوتر التقليدية ونقل البيانات لإصلاح التشويش. لكن بالنسبة لأجهزة الكمبيوتر الكمومية ، من المحتمل أن يستغرق تصحيح الخطأ سنوات ، مما يتطلب معالجات أفضل قادرة على معالجة عدد أكبر من الكيوبتات.

يعتقد علماء شركة IBM أن تخفيف الأخطاء هو حل مؤقت يمكن استخدامه الآن للمشكلات المعقدة بشكل متزايد خارج نموذج Ising.

قال الدكتور جامبيتا: “هذه واحدة من أبسط مشاكل العلوم الطبيعية الموجودة”. “لذا من الجيد أن نبدأ به. لكن السؤال الآن هو ، كيف تعممها وتذهب إلى مشاكل العلوم الطبيعية الأكثر إثارة للاهتمام؟ “

قد يشمل ذلك اكتشاف خصائص المواد الغريبة ، وتسريع اكتشاف الأدوية ، ونمذجة تفاعلات الاندماج.