نائب رئيس شركة IBM Quantum جاي جامبيتا يتحدث إلى فيليب بول حول التقدم الكمي العديد الذي حققته الشركة على مدار العشرين عامًا الماضية، بالإضافة إلى خارطة الطريق الخمسية التي أعلنت عنها مؤخرًا لتحقيق "الميزة الكمية"
تعمل الشركات ومختبرات الأبحاث في جميع أنحاء العالم على إخراج تقنياتها الكمومية الناشئة من المختبر إلى العالم الحقيقي، مع كون شركة التكنولوجيا الأمريكية العملاقة IBM لاعبًا رئيسيًا. وفي شهر مايو من هذا العام، كشفت شركة IBM Quantum عن أحدث خريطة طريق لها لمستقبل الحوسبة الكمومية في العقد القادم، وقد حددت الشركة بعض الأهداف الطموحة. بعد أن أعلنت عنها معالج Eagle بـ 127 بت الكم (qubits) العام الماضي، الشركة هي يقوم الآن بتطوير معالج Osprey بسرعة 433 كيوبت من المقرر ظهوره لأول مرة في وقت لاحق من هذا العام، وسيتبعه في عام 2023 كوندور 1121 كيوبت.
لكن أبعد من ذلك، كما تقول الشركة، ستتحول اللعبة إلى تجميع مثل هذه المعالجات في دوائر معيارية، حيث يتم توصيل الرقائق معًا عبر اتصالات كمومية متفرقة أو اتصالات كلاسيكية. سوف يتوج هذا الجهد بما يشيرون إليه باسم جهاز Kookaburra بسعة 4158 كيوبت في عام 2025. وبعد ذلك الحين، تتوقع شركة IBM إنشاء وحدات معالجات تحتوي على 100,000 أو أكثر من الكيوبتات، قادرة على الحوسبة دون الأخطاء التي تجعل الحوسبة الكمومية حاليًا مسألة إيجاد حلول بديلة لضجيج البتات الكمومية. ومن خلال هذا النهج، فإن فريق الحوسبة الكمومية في الشركة واثق من قدرته على تحقيق "ميزة كمومية" عامة، حيث ستتفوق أجهزة الكمبيوتر الكمومية باستمرار على أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية وتجري حسابات معقدة تتجاوز وسائل الأجهزة الكلاسيكية.
بينما كان في لندن في طريقه إلى 28th مؤتمر سولفاي في بروكسل، والتي تناولت المعلومات الكمومية، عالم الفيزياء اشتعلت مع الفيزيائي جاي جامبيتا، نائب رئيس شركة IBM Quantum. بعد أن قاد الكثير من التطورات التي حققتها الشركة على مدار العقدين الماضيين، أوضح غامبيتا كيف يمكن تحقيق هذه الأهداف وما ستترتب عليه بالنسبة لمستقبل الحوسبة الكمومية.
ما هو الوضع الحالي في IBM Quantum؟ ما هي بعض المعلمات الرئيسية التي تركز عليها؟
تدور خريطة طريق IBM حول التوسع - ليس فقط عدد الكيوبتات ولكن أيضًا سرعتها وجودتها وهندسة دوائرها. لدينا الآن أوقات تماسك (المدة التي تظل فيها الكيوبتات متماسكة وقادرة على إجراء حسابات كمومية) تبلغ 300 ميكروثانية في معالج إيجل (مقارنة بحوالي 1 ميكروثانية في عام 2010)، وسيصل الجيل القادم من الأجهزة إلى 300 ميلي ثانية. وتتمتع الكيوبتات الخاصة بنا [المصنوعة من معادن فائقة التوصيل] الآن بدقة تصل إلى 99.9% تقريبًا [وهي تتسبب في خطأ واحد فقط كل 1000 عملية - بمعدل خطأ يبلغ 10-3]. أعتقد أن نسبة 99.99% لن تكون مستحيلة بحلول نهاية العام المقبل.
الاختبار النهائي لنضج أجهزة الكمبيوتر الكمومية، إذن، هو ما إذا كان وقت التشغيل الكمي يمكن أن يكون منافسًا لوقت التشغيل الكلاسيكي
لكن القيام بالأشياء بذكاء سيصبح أكثر أهمية من مجرد الدفع بالمقاييس الأولية. تزداد أهمية بنية المعالج. لا أعتقد أننا سنتجاوز كثيرًا 1000 كيوبت لكل شريحة [كما هو الحال في Condor]، لذلك نحن الآن ننظر إلى النمطية. وبهذه الطريقة، يمكننا الوصول إلى معالجات بسعة 10,000 كيوبت بحلول نهاية هذا العقد. سنستخدم كلاً من الاتصال الكلاسيكي (للتحكم في الإلكترونيات) بين الرقائق، والقنوات الكمومية التي تخلق بعض التشابك (لإجراء العمليات الحسابية). ستكون هذه القنوات الموجودة بين الرقائق بطيئة، ربما 100 مرة أبطأ من الدوائر نفسها. وسيكون من الصعب تجاوز دقة القنوات بنسبة 95%.
بالنسبة للحوسبة عالية الأداء، ما يهم حقًا هو تقليل وقت التشغيل - أي تقليل الوقت الذي يستغرقه إيجاد حل لمشكلة محل الاهتمام. الاختبار النهائي لنضج أجهزة الكمبيوتر الكمومية هو ما إذا كان وقت التشغيل الكمي يمكن أن يكون منافسًا لوقت التشغيل الكلاسيكي. لقد بدأنا نوضح نظريًا أنه إذا كان لديك دائرة كبيرة تريد تشغيلها، وقمت بتقسيمها إلى دوائر أصغر، ففي كل مرة تقوم فيها بإجراء قطع، يمكنك التفكير في الأمر على أنه يتحمل تكلفة كلاسيكية، مما يزيد من وقت التشغيل أضعافا مضاعفة. وبالتالي فإن الهدف هو الحفاظ على هذا الارتفاع الأسي بالقرب من 1 قدر الإمكان.
بالنسبة لدائرة معينة، يعتمد وقت التشغيل بشكل كبير على أ المعلمة التي نسميها γ̄ رفعت إلى السلطة nd، حيث n هو عدد الكيوبتات و d هو العمق [مقياس لأطول مسار بين مدخلات ومخرجات الدائرة، أو ما يعادل عدد الخطوات الزمنية اللازمة لتشغيل الدائرة]. لذا، إذا تمكنا من تقريب b γ̄ من 1 قدر الإمكان، فسنصل إلى نقطة حيث توجد ميزة كمية حقيقية: لا يوجد نمو أسي في وقت التشغيل. يمكننا تقليل γ̄ من خلال التحسينات في التماسك ودقة البوابة [معدل الخطأ الجوهري]. في نهاية المطاف، سنصل إلى نقطة تحول حيث، حتى مع العبء الهائل لتخفيف الأخطاء، يمكننا جني فوائد وقت التشغيل مقارنة بأجهزة الكمبيوتر التقليدية. إذا تمكنت من خفض γ̄ إلى 1.001، فسيكون وقت التشغيل أسرع مما لو كنت تريد محاكاة تلك الدوائر بشكل كلاسيكي. أنا واثق من أننا نستطيع القيام بذلك – مع التحسينات في دقة البوابة وقمع الحديث المتبادل بين الكيوبتات، قمنا بالفعل بقياس γ̄ من 1.008 على شريحة Falcon r10 [27 بت كيوبت].
كيف يمكنك إجراء هذه التحسينات للتخفيف من الأخطاء؟
لتحسين الدقة، اتبعنا نهجًا يسمى إلغاء الخطأ الاحتمالي [أرخايف:2201.09866]. الفكرة هي أن ترسل لي أعباء العمل وسأرسل لك النتائج المعالجة مع تقديرات خالية من الضوضاء لها. أنت تقول أنني أريدك أن تدير هذه الدائرة؛ أقوم بتوصيف كل الضوضاء الموجودة في نظامي، وأقوم بإجراء العديد من عمليات التشغيل ثم أقوم بمعالجة كل تلك النتائج معًا لإعطائك تقديرًا خاليًا من الضوضاء لمخرج الدائرة. وبهذه الطريقة، بدأنا في إظهار أنه من المحتمل أن تكون هناك سلسلة متصلة من ما نحن عليه اليوم من خلال قمع الأخطاء وتخفيف الأخطاء إلى التصحيح الكامل للأخطاء.
هل يمكنك الوصول إلى هناك دون بناء كيوبتات منطقية لتصحيح الأخطاء بشكل كامل؟
ما هو الكيوبت المنطقي حقًا؟ ماذا يعني الناس في الواقع بذلك؟ ما يهم حقًا هو: هل يمكنك تشغيل دوائر منطقية، وكيف يمكنك تشغيلها بطريقة تجعل وقت التشغيل دائمًا أسرع؟ بدلاً من التفكير في بناء كيوبتات منطقية، نفكر في كيفية تشغيل الدوائر وإعطاء المستخدمين تقديرات للإجابة، ومن ثم قياسها بحلول وقت التشغيل.
عندما تقوم بتصحيح الخطأ العادي، فإنك تصحح ما كنت تعتقد أن الإجابة كانت ستصل إلى تلك النقطة. قمت بتحديث إطار مرجعي. لكننا سنحقق تصحيح الخطأ من خلال تخفيف الخطأ. مع γ̄ يساوي 1، سيكون لدي تصحيح للأخطاء بشكل فعال، لأنه لا يوجد أي نفقات إضافية لتحسين التقديرات بقدر ما تريد.
بهذه الطريقة، سيكون لدينا كيوبتات منطقية بشكل فعال، ولكن سيتم إدراجها بشكل مستمر. لذلك بدأنا في التفكير في الأمر على مستوى أعلى. وجهة نظرنا هي إنشاء سلسلة متواصلة، من وجهة نظر المستخدم، تصبح أسرع فأسرع. إن الاختبار النهائي لنضج أجهزة الكمبيوتر الكمومية هو ما إذا كان وقت التشغيل الكمي يمكن أن يكون منافسًا لوقت التشغيل الكلاسيكي.
وهذا مختلف تمامًا عما تفعله الشركات الكمومية الأخرى، لكنني سأكون مندهشًا جدًا إذا لم يصبح هذا هو الرأي العام - أراهن أنك ستبدأ في رؤية أشخاص يقارنون أوقات التشغيل، وليس معدلات تصحيح الأخطاء.
ما نقوم به هو مجرد حوسبة بشكل عام، ونحن نعطيها دفعة من خلال المعالج الكمي
إذا صنعت أجهزة معيارية ذات اتصالات كلاسيكية، فهل هذا يعني أن المستقبل ليس كميًا مقابل كلاسيكي، بل كميًا و كلاسيكي؟
نعم. إن الجمع بين الكلاسيكية والكمية معًا سيسمح لك بعمل المزيد. وهذا ما أسميه الفائض الكمي: القيام بالحوسبة الكلاسيكية بطريقة ذكية باستخدام الموارد الكمومية.
إذا كان بإمكاني التلويح بعصا سحرية، فلن أسميها الحوسبة الكمومية. أود أن أعود وأقول إن ما نقوم به حقًا هو مجرد الحوسبة بشكل عام، ونحن نعطيها دفعة من خلال المعالج الكمي. لقد كنت أستخدم عبارة "الحوسبة الفائقة المتمحورة حول الكم". يتعلق الأمر حقًا بتعزيز الحوسبة عن طريق إضافة الكم إليها. أعتقد حقًا أن هذه ستكون الهندسة المعمارية.
ما هي العوائق الفنية؟ هل يهم أن هذه الأجهزة تحتاج إلى تبريد مبرد، على سبيل المثال؟
هذه ليست مشكلة كبيرة حقًا. الأمر الأكبر هو أننا إذا واصلنا السير على خريطة الطريق الخاصة بنا، فإنني أشعر بالقلق بشأن أسعار الأجهزة الإلكترونية وكل الأشياء التي تدور حولها. ولخفض هذه التكاليف، نحتاج إلى تطوير نظام بيئي؛ ونحن كمجتمع لا نزال لا نفعل ما يكفي لخلق تلك البيئة. لا أرى أن الكثير من الناس يركزون على الإلكترونيات فقط، ولكن أعتقد أن ذلك سيحدث.
هل تم الانتهاء من كل العلوم الآن، بحيث أصبحت الآن مسألة هندسة؟
سيكون هناك دائمًا علم يجب القيام به، خاصة عندما ترسم هذا المسار من تخفيف الأخطاء إلى تصحيح الأخطاء. ما نوع الاتصال الذي تريد دمجه في الشريحة؟ ما هي الاتصالات؟ هذه كلها علوم أساسية. أعتقد أنه لا يزال بإمكاننا رفع معدلات الخطأ إلى 10-5. أنا شخصياً لا أحب تسمية الأشياء بـ "العلم" أو "التكنولوجيا"؛ نحن نبني الابتكار. أعتقد أن هناك بالتأكيد تحولًا إلى أن تصبح هذه الأجهزة أدوات، والسؤال يصبح كيف نستخدم هذه الأشياء للعلم، وليس حول علم إنشاء الأداة.
هل أنت قلق من احتمال وجود فقاعة كمومية؟
لا، أعتقد أن الميزة الكمية يمكن تقسيمها إلى شيئين. أولاً، كيف يمكنك بالفعل تشغيل الدوائر بشكل أسرع على الأجهزة الكمومية؟ أنا واثق من أنني أستطيع التنبؤ بهذا الأمر. وثانيًا، كيف يمكنك استخدام هذه الدوائر فعليًا وربطها بالتطبيقات؟ لماذا تعمل الطريقة المبنية على الكم بشكل أفضل من الطريقة الكلاسيكية وحدها؟ هذه أسئلة علمية صعبة للغاية. وهي أسئلة يهتم بها جميع علماء فيزياء الطاقة العالية وعلماء المواد وكيمياء الكم. أعتقد أنه سيكون هناك بالتأكيد طلب - ونحن نرى ذلك بالفعل. نحن نرى بعض المؤسسات التجارية مهتمة أيضًا، لكن الأمر سيستغرق بعض الوقت لإيجاد حلول حقيقية، بدلاً من أن يكون الكم أداةً لتطبيق العلم.
أرى أن هذا بمثابة انتقال سلس. أحد المجالات الكبيرة المحتملة للتطبيق هو المشكلات التي تحتوي على بيانات ذات نوع ما من البنية، خاصة البيانات التي يصعب جدًا العثور على الارتباطات الخاصة بها بشكل كلاسيكي. يواجه كل من التمويل والطب مشاكل من هذا القبيل، وتعد الأساليب الكمومية مثل التعلم الآلي الكمي جيدة جدًا في العثور على الارتباطات. سيكون الطريق طويلاً، لكن الأمر يستحق الاستثمار للقيام بذلك.
ماذا عن الحفاظ على أمان العمليات الحسابية ضد هجمات مثل خوارزمية شور للتحليل، على سبيل المثال، والتي تسخر الأساليب الكمومية لاختراق طرق تشفير المفتاح العام الحالية، بناءً على التحليل؟
يريد الجميع أن يكونوا آمنين ضد خوارزمية شور، والتي يُطلق عليها الآن اسم "الآمنة الكميًا". لقد أجرينا الكثير من الأبحاث الأساسية حول الخوارزميات، ولكن كيفية بنائها ستصبح سؤالًا مهمًا. نحن نحقق في دمج هذا في منتجاتنا طوال الوقت، وليس كوظيفة إضافية. وعلينا أن نتساءل كيف نتأكد من أن لدينا البنية التحتية الكلاسيكية الآمنة للكم. ستكون كيفية تنفيذ هذا المستقبل أمرًا مهمًا للغاية خلال السنوات القليلة المقبلة - كيف يمكنك بناء أجهزة آمنة كميًا من الألف إلى الياء.
تعريفي للنجاح هو عندما لا يعرف معظم المستخدمين أنهم يستخدمون جهاز كمبيوتر كميًا
هل تفاجأت بالسرعة التي وصلت بها الحوسبة الكمومية؟
بالنسبة لشخص كان منغمسًا في هذا الأمر مثلي منذ عام 2000، فقد تم اتباعه بشكل ملحوظ بالقرب من المسار الذي كان متوقعًا. أتذكر العودة إلى خارطة طريق IBM الداخلية من عام 2011، وكانت على ما يرام. اعتقدت أنني كنت أختلق الأشياء بعد ذلك! بشكل عام، أشعر كما لو أن الناس يبالغون في تقدير المدة التي سيستغرقها الأمر. ومع تقدمنا أكثر فأكثر، ومع جلب الناس أفكار المعلومات الكمومية إلى هذه الأجهزة، سنكون قادرين في السنوات القليلة المقبلة على تشغيل دوائر أكبر. بعد ذلك، سيتمحور الأمر حول أنواع البنية التي تحتاج إلى بنائها، وحجم المجموعات، وأنواع قنوات الاتصال التي تستخدمها، وما إلى ذلك. سيتم طرح هذه الأسئلة حسب نوع الدوائر التي تقوم بتشغيلها: كيف نبدأ في بناء آلات لأنواع معينة من الدوائر؟ سيكون هناك تخصص للدوائر.
كيف سيبدو عام 2030 بالنسبة للحوسبة الكمومية؟
تعريفي للنجاح هو عندما لا يعرف معظم المستخدمين أنهم يستخدمون حاسوبًا كموميًا، لأنه مدمج في بنية تعمل بسلاسة مع الحوسبة الكلاسيكية. سيكون مقياس النجاح بعد ذلك هو أنه غير مرئي لمعظم الأشخاص الذين يستخدمونه، ولكنه يعزز حياتهم بطريقة ما. ربما يستخدم هاتفك المحمول تطبيقًا يقوم بالتقدير باستخدام كمبيوتر كمي. في عام 2030، لن نصل إلى هذا المستوى، ولكن أعتقد أنه سيكون لدينا آلات كبيرة جدًا بحلول ذلك الوقت، وستكون أكبر بكثير مما يمكننا القيام به بشكل كلاسيكي.
