LBNL يقود مشروع تخزين البيانات الكمومية والتصورية – تحليل أخبار الحوسبة عالية الأداء | داخلHPC

أعلن مختبر لورانس بيركلي الوطني أن الباحثين في المختبرات الوطنية والجامعات أصدروا مؤخرًا ورقتين تقدمان طرقًا جديدة لتخزين البيانات وتحليلها لجعل الحوسبة الكمومية أكثر عملية واستكشاف كيف يساعد التصور في فهم الحوسبة الكمومية.

قالت تاليتا بيرسيانو، عالمة الأبحاث في قسم البيانات العلمية في مختبر لورانس بيركلي الوطني وقائدة هذا الجهد: "يمثل هذا العمل خطوات كبيرة في فهم وتسخير الأجهزة الكمومية الحالية لتشفير البيانات ومعالجتها وتصورها".

"هذه المساهمات مبنية على سابقتنا جهود لتسليط الضوء على الاستكشاف المستمر وإمكانات تقنيات الكم في تشكيل تحليل البيانات العلمية وتصورها. ويؤكد تحقيق هذه المشاريع على الدور الحيوي للعمل الجماعي، حيث جلب كل عضو خبرته ومنظوره الفريد. وهذا التعاون هو شهادة على حقيقة أنه في عالم الكم، كما هو الحال في العديد من جوانب الحياة، لا يقتصر التقدم على الإنجازات الفردية فحسب، بل يتعلق بالجهد الجماعي للفريق والرؤية المشتركة.

وفقًا مقالة على موقع LBNL بقلم كارول بوت، ومن بين المساهمين في هذا المشروع - جنبًا إلى جنب مع بيرسيانو - باحثون من قسم البيانات العلمية، وقسم الرياضيات التطبيقية والبحث الحسابي، والمركز الوطني للحوسبة العلمية لأبحاث الطاقة (NERSC)، بالتعاون مع فرق من جامعة ولاية سان فرانسيسكو (SFSU)، وجامعة كيس ويسترن ريزيرف.

الموازنة بين الكلاسيكية والكمية

التعاون: (الصف العلوي، من اليسار إلى اليمين) تاليتا بيرسيانو، جان باليوسكي، دان كامبس. (الصف السفلي، من اليسار إلى اليمين) رويل فان بيومين، ميرسي ج. أمانكوا، إي. ويس بيثيل

يعد تركيز الفريق على تشفير البيانات الكلاسيكية لاستخدامها بواسطة الخوارزميات الكمومية بمثابة نقطة انطلاق نحو التقدم في الاستفادة من أساليب علوم وتكنولوجيا المعلومات الكمومية (QIST) كجزء من الرسومات والتصور، وكلاهما باهظ الثمن حسابيًا تاريخيًا. "إن إيجاد التوازن الصحيح بين قدرات QIST والحوسبة الكلاسيكية يمثل تحديًا بحثيًا كبيرًا. فمن ناحية، يمكن للأنظمة الكمومية التعامل مع مشكلات أكبر بشكل كبير عندما نضيف المزيد من الكيوبتات. وعلى الجانب الآخر، تتمتع الأنظمة الكلاسيكية ومنصات الحوسبة عالية الأداء بعقود من الأبحاث والبنية التحتية القوية، لكنها تصل إلى الحدود التكنولوجية في التوسع. "أحد المسارات المحتملة هو فكرة الحوسبة الكمومية الكلاسيكية الهجينة، التي تمزج وحدات المعالجة المركزية الكلاسيكية مع وحدات المعالجة الكمومية (QPUs). يجمع هذا النهج بين أفضل ما في العالمين، مما يوفر إمكانيات مثيرة لتطبيقات علمية محددة.

الورقة الأولى، تم نشره مؤخرًا في مجلة Nature Scientific Reportsيستكشف كيفية تشفير وتخزين البيانات الكلاسيكية في الأنظمة الكمومية لتحسين القدرات التحليلية ويغطي الطريقتين الجديدتين وكيفية عملهما. يعمل QCrank عن طريق تشفير مجموعات من الأرقام الحقيقية في دورات مستمرة من الكيوبتات المحددة، مما يسمح بتمثيل المزيد من البيانات باستخدام مساحة أقل. من ناحية أخرى، يمثل QBArt البيانات الثنائية بشكل مباشر كسلسلة من الأصفار والآحاد المعينة لحالات صفر وواحد كيوبت، مما يسهل إجراء العمليات الحسابية على البيانات.

في الورقة الثانية، بحث الفريق في التفاعل بين التصور والحوسبة الكمومية، موضحًا كيف ساهم التصور في الحوسبة الكمومية من خلال تمكين تمثيل الحالات الكمومية المعقدة بيانيًا واستكشاف الفوائد والتحديات المحتملة لدمج الحوسبة الكمومية في عالم استكشاف البيانات المرئية وتحليلها. . في الاستكشاف العلمي، يسمح التصور للباحثين باستكشاف المجهول و"رؤية ما لا يمكن رؤيته"، وتحويل المعلومات المجردة بشكل فعال إلى صور يسهل فهمها.

اختبر الفريق أساليبهم على الأجهزة الكمومية NISQ باستخدام عدة أنواع من مهام معالجة البيانات، مثل مطابقة الأنماط في الحمض النووي، وحساب المسافة بين تسلسل الأعداد الصحيحة، ومعالجة تسلسل الأعداد المعقدة، وكتابة واسترجاع الصور المصنوعة من وحدات البكسل الثنائية. أجرى الفريق هذه الاختبارات باستخدام معالج كمي يسمى Quantinuum H1-1، بالإضافة إلى معالجات كمومية أخرى متاحة من خلال IBMQ وIonQ. في كثير من الأحيان، تعمل الخوارزميات الكمومية التي تعالج عينات البيانات الكبيرة كدائرة واحدة على أجهزة NISQ بشكل سيئ للغاية أو تنتج مخرجات عشوائية تمامًا. أثبت المؤلفون أن أساليبهم الجديدة حصلت على نتائج دقيقة بشكل ملحوظ عند استخدام مثل هذه الأجهزة.

التعامل مع ترميز البيانات والحديث المتبادل

عند تصميم وتنفيذ الخوارزميات الكمومية التي تعالج البيانات الكلاسيكية، ينشأ تحدي كبير يعرف بمشكلة ترميز البيانات، وهو كيفية تحويل البيانات الكلاسيكية إلى نموذج يمكن للكمبيوتر الكمي العمل معه. أثناء عملية التشفير، هناك مقايضة بين استخدام الموارد الكمومية بكفاءة والحفاظ على التعقيد الحسابي للخوارزميات بسيطًا بما يكفي لإدارته.

"كان التركيز على موازنة قيود الأجهزة الكمومية الحالية. تستخدم بعض طرق التشفير الصلبة رياضيًا العديد من الخطوات، أو البوابات الكمومية، بحيث يفقد النظام الكمي المعلومات الأولية قبل أن يصل حتى إلى البوابة النهائية. قال جان باليوسكي، المستشار في NERSC والمؤلف الأول لورقة التقارير العلمية: "هذا لا يترك أي فرصة لحساب البيانات المشفرة بشكل صحيح". "ولمعالجة هذه المشكلة، توصلنا إلى مخطط لتقسيم تسلسل طويل واحد إلى العديد من تدفقات التشفير المتوازية."

لسوء الحظ، أدت هذه الطريقة إلى مشكلة جديدة، وهي التداخل بين التدفقات، مما أدى إلى تشويه المعلومات المخزنة. "إن الأمر يشبه محاولة الاستماع إلى محادثات متعددة في غرفة مزدحمة؛ وعندما تتداخل هذه الرسائل، يصبح فهم كل رسالة أمرًا صعبًا. يقول باليوسكي: "في أنظمة البيانات، يؤدي الحديث المتبادل إلى تشويه المعلومات، مما يجعل الرؤى أقل دقة". "لقد تعاملنا مع الحديث المتبادل بطريقتين: بالنسبة لـ QCrank، قدمنا ​​خطوة معايرة؛ بالنسبة لـ QBArt، قمنا بتبسيط اللغة المستخدمة في الرسائل. إن تقليل عدد الرموز المستخدمة يشبه التبديل من الأبجدية اللاتينية إلى شفرة مورس – وهي أبطأ في الإرسال ولكنها أقل تأثراً بالتشوهات.

يقدم هذا البحث تقدمين مهمين، مما يجعل تشفير البيانات الكمومية وتحليلها أكثر عملية. أولاً، تعمل دوائر الدوران المتوازية المتحكم فيها بشكل موحد (pUCR) على تقليل تعقيد الدوائر الكمومية بشكل كبير مقارنة بالطرق السابقة. تسمح هذه الدوائر بحدوث عمليات متعددة في وقت واحد، مما يجعلها مناسبة تمامًا للمعالجات الكمومية، مثل جهاز H1-1 من Quantinuum، مع اتصال عالي ودعم لتنفيذ البوابة المتوازية. ثانيًا، تقدم الدراسة QCrank وQBArt، وهما تقنيتان لتشفير البيانات تستخدمان دوائر pUCR: يقوم QCrank بتشفير البيانات الحقيقية المستمرة كزوايا دوران، ويقوم QBArt بتشفير البيانات الصحيحة في شكل ثنائي. ويعرض البحث أيضًا سلسلة من التجارب التي تم إجراؤها باستخدام معالجات الكم IonQ وIBMQ، مما يدل على نجاح تشفير البيانات الكمومية وتحليلها على نطاق أوسع مما تم تحقيقه سابقًا. تتضمن هذه التجارب أيضًا استراتيجيات جديدة لتخفيف الأخطاء لتصحيح نتائج الأجهزة المزعجة، مما يعزز موثوقية الحسابات.

تظهر التجارب التي أجريت باستخدام QCrank نتائج واعدة، حيث نجحت في تشفير واسترجاع 384 بكسل بالأبيض والأسود على 12 كيوبت بمستوى عالٍ من الدقة في استعادة المعلومات (الشكل 1). والجدير بالذكر أن هذه الصورة تمثل أكبر صورة تم تشفيرها بنجاح على جهاز كمي، مما يمثل إنجازًا رائدًا. يتطلب تخزين نفس الصورة على جهاز كمبيوتر كلاسيكي 384 بت، مما يجعلها أقل كفاءة بمقدار 30 مرة مقارنة بالكمبيوتر الكمي. وبما أن قدرة النظام الكمي تنمو بشكل كبير مع عدد الكيوبتات، فإن 35 كيوبت فقط على جهاز كمبيوتر كمي مثالي، على سبيل المثال، يمكن أن تحتوي على 150 غيغابايت كاملة من معلومات الحمض النووي الموجودة في الجينوم البشري.

أظهرت التجارب التي أجريت مع QBArt براعته الرائعة في تشفير ومعالجة تسلسلات متنوعة من البيانات، بدءًا من تسلسلات الحمض النووي المعقدة (الشكل 2) إلى الأعداد المعقدة، بدقة شبه مثالية. بالإضافة إلى ذلك، تتعمق الدراسة في تقييم أداء المعالجات الكمومية المختلفة في تشفير البيانات الثنائية، وتكشف عن القدرات الاستثنائية للمعالجات القائمة على مصيدة الأيونات للمهام التي تعتمد على دوائر pUCR. لم تمهد هذه النتائج الطريق لإجراء تحقيقات أعمق في تطبيقات الدوائر المدمجة والمتوازية عبر خوارزميات كمومية مختلفة وخوارزميات كلاسيكية كمومية هجينة فحسب؛ كما أنها تمهد الطريق لتحقيق تقدمات مثيرة في مهام التعلم الآلي الكمي ومعالجة البيانات في المستقبل.

"من خلال التنقل في طليعة الحوسبة الكمومية، يقوم فريقنا، مدعومًا بالمواهب الناشئة، باستكشاف التطورات النظرية التي تستفيد من أساليب تشفير البيانات لدينا لمعالجة مجموعة واسعة من مهام التحليل. وقال بيرسيانو: "إن هذه الأساليب الجديدة تحمل وعدًا بإطلاق العنان للقدرات التحليلية على نطاق لم نشهده من قبل مع أجهزة NISQ". "من خلال الاستفادة من كل من الحوسبة عالية الأداء والأجهزة الكمومية، نهدف إلى توسيع آفاق أبحاث الحوسبة الكمومية، وتصور كيف يمكن للكم أن يحدث ثورة في أساليب حل المشكلات عبر المجالات العلمية المختلفة. ومع تطور الأجهزة الكمومية، نؤمن جميعًا في فريق البحث بقدرتها على التطبيق العملي وفائدتها كأداة قوية لتحليل البيانات العلمية وتصورها على نطاق واسع.

ومع الدعوة الأخيرة لبناء وتثقيف القوى العاملة الكمية، تبحث العديد من المنظمات، بما في ذلك وزارة الطاقة الأمريكية (DOE)، عن طرق للمساعدة في تطوير البحث وتطوير خوارزميات وأنظمة وبيئات برمجية جديدة لـ QIST. ولتحقيق هذه الغاية، يعمل تعاون Berkeley Lab المستمر مع جامعة SFSU، وهي مؤسسة تخدم الأقليات، على تعزيز جهود المختبر في QIST وتوسيع المناهج الدراسية الحالية في SFSU لتشمل الدورات الدراسية وفرص التدريب الجديدة التي تركز على QIST. كان سابقًا أحد كبار علماء الكمبيوتر في مختبر بيركلي، قاد الأستاذ المساعد بجامعة SFSU، ويس بيثيل، المهمة نحو إنتاج جيل جديد من طلاب الماجستير في علوم الحوسبة المتخرجين بجامعة SFSU، والعديد منهم من المجموعات الممثلة تمثيلاً ناقصًا، مع أطروحات تركز على موضوعات QIST.

ميرسي أمانكوا، دكتوراه. كانت طالبة جامعة كيس ويسترن جزءًا من هذا التعاون منذ يونيو 2021، حيث خصصت 12 أسبوعًا من إجازتها الصيفية سنويًا للمشاركة في برنامج مسارات البحث المستدام، وهو شراكة بين مختبر بيركلي ومعهد الآفاق المستدامة. استفادت أمانكوا من خبرتها في الجبر الخطي لابتكار تصميم ومعالجة الدوائر الكمومية لتحقيق الكفاءة التي كان الفريق يأمل فيها من خلال طريقتين جديدتين، QCrank وABArt. تستخدم الأساليب تقنيات الفريق المبتكرة لتشفير البيانات لأجهزة الكمبيوتر الكمومية. قال أمانكوا: "إن العمل الذي نقوم به آسر حقًا". "إنها رحلة تدفعنا باستمرار إلى التفكير في الإنجازات الكبيرة القادمة. إنني أتطلع بحماس إلى تقديم مساهمات أكثر تأثيرًا في هذا المجال عندما أخطو إلى مرحلة ما بعد الدكتوراه. المغامرة المهنية."

تم دعم هذا البحث من قبل مكتب أبحاث الحوسبة العلمية المتقدمة (ASCR) التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (ASCR) للأبحاث الاستكشافية للعلوم واسعة النطاق، ومعهد الآفاق المستدامة، وبرنامج البحث والتطوير الموجه للمختبر في مختبر بيركلي، واستخدام موارد الحوسبة في NERSC ومرفق أوك ريدج لحوسبة القيادة.

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
• المصدر https://insidehpc.com/2024/04/lbnl-leads-quantum-data-storage-visualization-project/