تستغرق الشريحة الكمية ميكروثانية للقيام بمهمة قد يقضيها الكمبيوتر العملاق 9,000 عام

هل أجهزة الكمبيوتر الكمومية مبالغ فيها؟

كشفت دراسة جديدة in الطبيعة يقول لا. طمس جهاز كمي مصمم بذكاء طورته شركة Xanadu ، وهي شركة مقرها في تورنتو ، كندا ، أجهزة الكمبيوتر التقليدية في مهمة معيارية كانت ستستغرق أكثر من 9,000 عام.

بالنسبة لشريحة الكم بورياليس ، جاءت الإجابات في غضون 36 الصغيرثواني.

يعد إنجاز Xanadu هو الأحدث لإثبات قوة الكم الحوسبة على أجهزة الكمبيوتر التقليدية - فكرة تبدو بسيطة يطلق عليها اسم الميزة الكمومية.

من الناحية النظرية ، المفهوم منطقي. على عكس أجهزة الكمبيوتر التقليدية ، التي تحسب بالتسلسل باستخدام البتات الثنائية - 0 أو 1 - تستفيد الأجهزة الكمومية من غرابة العالم الكمي ، حيث يمكن أن يوجد كل من 0 و 1 في نفس الوقت باحتمالات مختلفة. تتم معالجة البيانات بوحدات كيوبت ، وهي وحدة غير ملزمة تقوم في نفس الوقت بإجراء العديد من العمليات الحسابية بفضل فيزياءها الفريدة.

ترجمة؟ يشبه الكمبيوتر الكمومي متعدد المهام فائق الكفاءة ، في حين أن أجهزة الكمبيوتر التقليدية أكثر خطية بكثير. عند مواجهة نفس المشكلة ، يجب أن يكون الكمبيوتر الكمي قادرًا على التغلب على أي منها العملاق في أي مشكلة من حيث السرعة والكفاءة. كانت الفكرة ، التي أطلق عليها اسم "التفوق الكمي" ، هي القوة الدافعة للضغط من أجل جيل جديد من أجهزة الكمبيوتر الغريبة تمامًا عن أي شيء تم صنعه سابقًا.

المشكلة؟ إن إثبات السيادة الكمية أمر صعب للغاية. نظرًا لأن الأجهزة الكمومية تغادر المختبر بشكل متزايد لحل المزيد من مشاكل العالم الحقيقي ، يتبنى العلماء معيارًا وسيطًا: الميزة الكمية ، وهي فكرة أن الكمبيوتر الكمومي يمكنه التغلب على الكمبيوتر التقليدي في مهمة واحدة فقط - أي مهمة.

مرة أخرى في عام 2019 ، Google كسر الإنترنت عرض المثال الأول للكمبيوتر الكمي ، Sycamore ، الذي حل مشكلة حسابية في 200 ثانية فقط باستخدام 54 كيوبت - مقارنة بتقدير كمبيوتر عملاق تقليدي يبلغ 10,000 عام. فريق صيني وسرعان ما أعقب ذلك عرضًا رائعًا ثانٍ للميزة الحسابية الكمومية ، مع قيام الآلة بإصدار الإجابات التي قد تستغرق حاسوبًا عملاقًا لأكثر من ملياري سنة.

ومع ذلك ، يبقى السؤال الحاسم: هل أي من هذه الأجهزة الكمومية قريب من أن يكون جاهزًا للاستخدام العملي؟

إعادة تصميم جذرية

من السهل أن ننسى أن أجهزة الكمبيوتر تعتمد على الفيزياء. نظامنا الحالي ، على سبيل المثال ، ينقر على الإلكترونات ومصممة بذكاء رقائق لأداء وظائفهم. تتشابه أجهزة الكمبيوتر الكمومية ، لكنها تعتمد على فيزياء الجسيمات البديلة. بدت الأجيال الأولى من الآلات الكمومية وكأنها ثريات متلألئة ودقيقة. على الرغم من كونها رائعة للغاية ، مقارنة بشريحة الهاتف الذكي المدمجة ، إلا أنها أيضًا غير عملية تمامًا. غالبًا ما تتطلب الأجهزة مناخات يتم التحكم فيها بإحكام - على سبيل المثال ، درجة حرارة قريبة من الصفر المطلق - لتقليل التداخل وتعزيز فعالية الكمبيوتر.

المفهوم الأساسي للحوسبة الكمومية هو نفسه: معالجة الكيوبتات للبيانات في حالة التراكب ، وهو أمر غريب في فيزياء الكم يسمح لهم بترميز 0 ثانية أو 1 ثانية أو كليهما في نفس الوقت. تختلف الأجهزة التي تدعم الفكرة اختلافًا كبيرًا.

يستخدم Sycamore من Google ، على سبيل المثال ، حلقات معدنية فائقة التوصيل ، وهو إعداد شائع لدى عمالقة التكنولوجيا الآخرين بما في ذلك IBM ، والذي قدم Eagle ، وهو أداة قوية رقاقة الكم 127 كيلوبت في عام 2021 سيكون هذا بحجم الربع تقريبًا. تكرارات أخرى من شركات مثل هانيويل واتخذت IonQ نهجًا مختلفًا ، من خلال التنصت على الأيونات - الذرات مع إزالة إلكترون واحد أو أكثر - كمصدر رئيسي للحوسبة الكمومية.

فكرة أخرى تعتمد على الفوتونات أو جسيمات الضوء. لقد ثبت بالفعل فائدته: فقد استخدم البرهان الصيني للميزة الكمية ، على سبيل المثال ، جهازًا ضوئيًا. ولكن تم أيضًا تجنب الفكرة باعتبارها مجرد نقطة انطلاق نحو الحوسبة الكمومية بدلاً من حل عملي ، ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى الصعوبات في الهندسة والإعداد.

ثورة فوتونية

أثبت فريق Xanadu خطأ الرافضين. الرقاقة الجديدة ، بورياليس ، تشبه بشكل هامشي تلك الموجودة في الدراسة الصينية من حيث أنها تستخدم الفوتونات - بدلاً من المواد أو الأيونات فائقة التوصيل - للحساب.

لكن لها ميزة كبيرة: إنها قابلة للبرمجة. "اعتمدت التجارب السابقة عادةً على الشبكات الثابتة ، حيث يتم إصلاح كل مكون بمجرد تصنيعه ،" شرح د. دانيال جوست برود في جامعة فلومينينس الفيدرالية في ريو دي جانيرو بالبرازيل ، والذي لم يشارك في الدراسة. استخدم العرض التوضيحي السابق للميزة الكمية في الدراسة الصينية شريحة ثابتة. مع بورياليس ، ومع ذلك ، فإن العناصر البصرية "يمكن برمجتها بسهولة" ، مما يجعلها أقل من جهاز يستخدم مرة واحدة وأكثر من الكمبيوتر الفعلي الذي يحتمل أن يكون قادرًا على حل مشاكل متعددة. (ملعب الكم هو متاح على السحابة ليقوم أي شخص بالتجربة والاستكشاف بمجرد الاشتراك.)

تأتي مرونة الشريحة من تحديث التصميم المبتكر ، "مخطط مبتكر [الذي] يوفر تحكمًا رائعًا وإمكانية التوسع" ، كما قال Brod.

ركز الفريق على مشكلة تسمى أخذ عينات بوزون غاوسي، وهو معيار لتقييم براعة الحوسبة الكمومية. على الرغم من صعوبة الاختبار الحسابي بشكل غير عادي ، إلا أنه ليس له تأثير كبير على مشاكل العالم الحقيقي. ومع ذلك ، مثل لعبة الشطرنج أو Go لقياس أداء الذكاء الاصطناعي ، فإنها تعمل كقاضٍ غير متحيز لفحص أداء الحوسبة الكمومية. إنه "معيار ذهبي" من نوع ما: أوضح برود أن "أخذ عينات البوزون الغاوسي هو مخطط مصمم لإظهار مزايا الأجهزة الكمومية على أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية".

الإعداد هو مثل خيمة مرآة كرنفال المرح في فيلم رعب. حالات خاصة للضوء (والفوتونات) - تسمى بشكل مدهش "حالات مضغوطة "—يتم نفق على الشريحة المضمنة بشبكة من مقسمات الحزمة. يعمل كل فاصل شعاع كمرآة شبه عاكسة: اعتمادًا على كيفية وصول الضوء ، ينقسم إلى عدة فتيات ، بعضهن ينعكسن للخلف والبعض الآخر يمر من خلاله. في نهاية الأداة الغريبة توجد مجموعة من أجهزة الكشف عن الفوتونات. كلما زاد عدد مشتقات الحزمة ، زادت صعوبة حساب كيف سينتهي المطاف بأي فوتون فردي في أي كاشف معين.

كتصور آخر: تخيل آلة فول ، لوح مرصع بالوتاد ومغطى بالزجاج. للعب ، تقوم بإسقاط قرص في الأوتاد الموجودة في الأعلى. عندما يسقط القرص ، فإنه يصطدم بشكل عشوائي بأوتاد مختلفة ، ويهبط في النهاية في فتحة مرقمة.

يستبدل أخذ عينات البوزون الغاوسي أقراص الصولجان بالفوتونات ، بهدف اكتشاف الفوتون الذي يهبط في فتحة الكاشف. نظرًا لخصائص الكم ، فإن التوزيعات الناتجة المحتملة تنمو بشكل كبير ، وتتفوق بسرعة على أي قوى كمبيوتر عملاق. يوضح Brod أنه معيار ممتاز ، إلى حد كبير لأننا نفهم الفيزياء الأساسية ، ويشير الإعداد إلى أنه حتى بضع مئات من الفوتونات يمكنها تحدي أجهزة الكمبيوتر العملاقة.

في مواجهة التحدي ، أعادت الدراسة الجديدة تخيل جهاز كمومي ضوئي مع 216 كيوبت رائعًا. على عكس التصميمات الكلاسيكية ، قام الجهاز بحساب الفوتونات في صناديق وقت الوصول بدلاً من المعيار السابق للاتجاه. كانت الحيلة هي إدخال حلقات من الألياف الضوئية لتأخير الفوتونات حتى تتمكن من التدخل في نقاط معينة مهمة للحساب الكمومي.

أدت هذه التعديلات إلى جهاز مخفف إلى حد كبير. يمكن تقليص الشبكة الكبيرة المعتادة من مقسمات الحزمة - اللازمة عادةً لاتصالات الفوتون - إلى ثلاثة فقط لاستيعاب جميع التأخيرات اللازمة لتفاعل الفوتونات وحساب المهمة. تصميمات الحلقة ، إلى جانب المكونات الأخرى ، "قابلة للبرمجة بسهولة" أيضًا حيث يمكن ضبط مقسم الحزمة في الوقت الفعلي - مثل تحرير كود الكمبيوتر ، ولكن على مستوى الأجهزة.

اجتاز الفريق أيضًا فحصًا قياسيًا للسلامة ، حيث يشهد على صحة بيانات المخرجات.

في الوقت الحالي ، لا تزال الدراسات التي تُظهر بشكل موثوق التفوق الكمي نادرة. أجهزة الكمبيوتر التقليدية لها بداية قبل نصف قرن. بينما تستمر الخوارزميات في التطور على أجهزة الكمبيوتر التقليدية - خاصة تلك التي تستفيد من رقائق قوية تركز على الذكاء الاصطناعي أو التشكل العصبي تصميمات الحوسبة - قد تتفوق بسهولة على الأجهزة الكمومية ، مما يجعلها تكافح من أجل اللحاق بالركب.

لكن هذه هي متعة المطاردة. "الميزة الكمية ليست عتبة محددة جيدًا ، تستند إلى رقم واحد للجدارة. وقال برود ، مع تطور التجارب ، ستتطور أيضًا تقنيات محاكاتها — يمكننا أن نتوقع أن تتناوب الأجهزة الكمومية لتسجيل الأرقام والخوارزميات الكلاسيكية في المستقبل القريب في تحدي بعضها البعض للحصول على المركز الأول.

وتابع: "قد لا تكون هذه نهاية القصة". لكن الدراسة الجديدة "قفزة إلى الأمام لفيزياء الكم في هذا السباق."

الصورة الائتمان: geralt / 24493 صور

• كوينسمارت. أفضل بورصة للبيتكوين والعملات المشفرة في أوروبا.
• بلاتوبلوكشين. Web3 Metaverse Intelligence. تضخيم المعرفة. دخول مجاني.
• كريبتوهوك. الرادار. تجربة مجانية.
• المصدر: https://singularityhub.com/2022/06/07/a-photonic-quantum-device-took-microseconds-to-do-a-task-a-conventional-computer-would-spend-9000-years- على/