يكشف Google كيف يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية أن تتفوق على أجهزة الكمبيوتر العملاقة الحديثة

يكشف Google كيف يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية أن تتفوق على أجهزة الكمبيوتر العملاقة الحديثة

منذ أن تم تصميم أجهزة الكمبيوتر الكمومية الأولى في أوائل الثمانينيات، كان الباحثون يأملون في اليوم الذي يتم فيه استخدام هذه الأجهزة يمكنه حل المشكلات الصعبة جدًا بالنسبة لأجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية. على مدى السنوات الخمس الماضية، بدأت هذه الآلات فعليًا في تحدي نظيراتها الكلاسيكية - على الرغم من أن النصر النهائي عليها كان بعيد المنال حتى الآن.

في المرحلة الحالية من المعركة من أجل ما يسمى "الميزة الكمية"، يقول باحثو جوجل إنهم حددوا الظروف التي يمكن بموجبها أجهزة الكمبيوتر الكمومية يمكنهم التفوق على زملائهم الكلاسيكيين. لفهم هذه الشروط، استخدموا معالجًا كميًا يُدعى Sycamore لتشغيل أخذ عينات من الدوائر العشوائية (RCS)، وهي خوارزمية كمومية بسيطة تنتج بشكل أساسي تسلسلًا عشوائيًا من القيم.

قام الفريق بتحليل مخرجات Sycamore ووجد أنه يمكن "خداعها" أو التغلب عليها بواسطة أجهزة الكمبيوتر العملاقة الكلاسيكية في وضع عالي الضوضاء أثناء تشغيل RCS. ومع ذلك، عندما انخفضت الاضطرابات إلى عتبة معينة، أصبحت حسابات الجميز معقدة للغاية لدرجة أن إجراء محاكاة ساخرة كان مستحيلًا فعليًا - تشير التقديرات إلى أن أسرع كمبيوتر عملاق كلاسيكي في العالم سيستغرق عشرة تريليونات سنة. وكان هذا الإدراك في البداية في طبعة ما قبل الطباعة تم الإبلاغ عنه على خادم arXiv العام الماضي واليوم في مجلة Nature 1 نشرت.

ويؤكد خبراء الكم أن هذا يمثل دليلاً دامغًا على أن Sycamore قادر على التفوق في الأداء على أي كمبيوتر كلاسيكي يعمل بنظام RCS. في عام 2019، ذكرت جوجل أن حاسوبها الكمي يمكنه تشغيل RCS وتحقيق الميزة الكمية. ولكن منذ ذلك الحين، نفذت أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية الخوارزمية بشكل أسرع من المتوقع، مما أدى إلى إلغاء الميزة المفترضة. يوضح مايكل فوس-فيج، الباحث في مجال الحوسبة الكمومية في شركة البرمجيات Quantinuum في برومفيلد، كولورادو: "لقد قامت Google بعمل ممتاز في توضيح وإصلاح العديد من المشكلات المعروفة المتعلقة بنظام RCS". تُظهر النتائج الجديدة مقدار الضوضاء التي يمكن أن تحدثها أجهزة الكمبيوتر الكمومية وما زالت تتفوق على أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية.

تعد المنافسة المستمرة بين أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية والكمية عاملاً محركًا في هذا المجال، وفقًا لتشاو يانج لو، عالم فيزياء الكم في جامعة شنغهاي للعلوم والتكنولوجيا. وقد حفزت هذه المنافسة الباحثين على بناء أجهزة كمبيوتر كمومية أكبر وأعلى جودة.

ومع ذلك، فإن النتيجة الأخيرة التي توصلت إليها جوجل لا تعني أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية ستحل محل أجهزة الكمبيوتر التقليدية. على سبيل المثال، لا يستطيع Sycamore إجراء العمليات النموذجية للكمبيوتر العادي، مثل حفظ الصور أو إرسال رسائل البريد الإلكتروني. يوضح سيرجيو بويكسو، رئيس مشروع الحوسبة الكمومية لشركة جوجل في سانتا باربرا، كاليفورنيا: "أجهزة الكمبيوتر الكمومية ليست أسرع - إنها مختلفة". وهي تهدف في النهاية إلى أداء مهام مستحيلة ومفيدة تقليديًا، مثل محاكاة التفاعلات الكيميائية بدقة.

يشبه معالج Sycamore شرائح السيليكون التي تشغل أجهزة الكمبيوتر المحمولة اليومية، ولكنه مصمم خصيصًا للتحكم في الإلكترونات المتدفقة عبره بدقة كمومية. لتقليل تقلبات درجات الحرارة التي من شأنها تدمير الحالات الحساسة للإلكترونات وإحداث الضوضاء، يتم الاحتفاظ بالرقاقة في درجات حرارة شديدة البرودة بالقرب من الصفر المطلق.

بدلًا من البتات التقليدية (التي تكون دائمًا إما 0 أو 1)، تستخدم الشريحة الكمومية الكيوبتات، التي تستغل قدرة الإلكترونات على التواجد في خليط من الحالات. يمكن للكمبيوتر الكمي أداء بعض المهام باستخدام عدد أقل بشكل كبير من الكيوبتات مقارنة بالبتات التي يحتاجها الكمبيوتر الكلاسيكي. على سبيل المثال، يتطلب الكمبيوتر الكلاسيكي 1024 بت لتشغيل خوارزمية RCS، بينما يتطلب الكمبيوتر الكمي 10 بتات فقط.

قبل خمس سنوات، أفاد فريق من باحثي جوجل في مجلة Nature 2 ، أن الأمر سيستغرق حاسوبًا عملاقًا كلاسيكيًا 10000 عام لإعادة إنشاء نظام RCS مدته 200 ثانية على حاسوبه ذو 53 بت. على الفور تقريبًا تعرض هذا الادعاء للنيران. نشر الباحثون في شركة IBM العملاقة للتكنولوجيا نسخة أولية عبر الإنترنت 3 ، مما يشير إلى أن الكمبيوتر العملاق يمكنه بالفعل إكمال المهمة في غضون أيام قليلة. وفي يونيو/حزيران، استخدم لو وزملاؤه أجهزة كمبيوتر كلاسيكية قوية لتزييف النتيجة في ما يزيد قليلاً عن دقيقة واحدة 4.

ليست نتيجة Google لعام 2019 هي الوحيدة التي تأثرت بالتزييفات الكلاسيكية. في يونيو 2023، قدم باحثون من شركة IBM وآخرون أدلة 5 أن جهاز الكمبيوتر الخاص بهم 127 كيوبت يمكن أن تحل المشاكل الرياضية التي يحتمل أن تكون مفيدة والتي "تتجاوز الحسابات الكلاسيكية الوحشية". وفي غضون بضعة أسابيع، أظهرت العديد من الدراسات 6, 7 أن الأساليب الكلاسيكية يمكن أن تستمر في المنافسة.

أراد بويكسو وزملاؤه أن يفهموا كيف تجعل الضوضاء أجهزة الكمبيوتر الكمومية عرضة للتزوير الكلاسيكي. ووجدوا أنه حتى الاختلافات الصغيرة في معدل خطأ الكيوبت - من 99.4% خالية من الأخطاء إلى 99.7% - تجعل الجميز يتصرف كما لو كان في حالة جديدة، على غرار كيفية تغير المادة من الحالة الصلبة إلى السائلة.

يقول بويكسو: "ما تفعله [الضوضاء] هو أنها تحول النظام إلى شيء كلاسيكي". بمجرد أن تجاوزت نسخة محدثة من Sycamore تحتوي على 67 كيوبت حدًا معينًا للضوضاء، أصبح من المستحيل محاكاة مخرجات RCS الخاصة بها بشكل كلاسيكي.

على مدار العامين الماضيين، ركزت محاولات التفوق على أجهزة الكمبيوتر العملاقة الكلاسيكية أيضًا على تقليل ضوضاء الكيوبت. قام Foss-Feig وزملاؤه بتشغيل RCS على جهاز كمبيوتر كمي 56 كيوبت مع معدل خطأ منخفض 8 خلال. ويقول إنه مع وجود الكيوبتات الأفضل، "لم تعد أجهزة الكمبيوتر التقليدية قادرة على التنافس مع أجهزة الكمبيوتر الكمومية، على الأقل في مجال RCS".

في يوم من الأيام، يأمل الباحثون أن تصبح أجهزة الكمبيوتر الكمومية كبيرة بما يكفي وخالية من الأخطاء بما يكفي لتجاوز الصراع بين أجهزة الكمبيوتر الكمومية والكلاسيكية. وفي الوقت الراهن، فإنهم راضون بالقتال. يقول بويكسو: "إذا لم تتمكن من الحصول على ميزة في RCS، وهو أبسط التطبيقات، فلا أعتقد أنه يمكنك الفوز في أي تطبيق آخر".

1. مورفان، A. وآخرون. طبيعة 634، 328-333 (2024).

   شرط جوجل الباحث العلمي

2. أروت، F. وآخرون. طبيعة 574، 505-510 (2019).

   شرط مجلات جوجل الباحث العلمي

3. Pednault، E.، Gunnels، J. A.، Nannicini، G.، Horesh، L. & Wisnieff، R. Preprint at arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.1910.09534 (2019).

4. تشاو، X.-H. وآخرون. طبع مسبقًا في arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2406.18889 (2024).

5. كيم، Y. وآخرون. طبيعة 618، 500-505 (2023).

   شرط مجلات جوجل الباحث العلمي

6. تيندال، J. وآخرون. طبع مسبقًا في arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2306.14887 (2023).

7. Beguši، T. & Kin-Lic Chan، G. Preprint في arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2306.16372 (2023).

8. ديكروس، M. وآخرون. طبع مسبقًا في arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2406.02501 (2024).

تحميل المراجع