لقد اقترب المستقبل مع أجهزة الكمبيوتر الكمومية - ولكن هل نحن مستعدون لذلك؟

عند اقتراب وقت المعدات الجديدة والمفيدة ، يصبح العامل البشري في الحوسبة حاسماً

مستقبل الحوسبة هو خزان معدني ضخم؟ سأشعر بخيبة أمل إذا اتضح أنه بداخله يجلس فقط رجلًا مع كمبيوتر محمول وجوجل.

يوركتاون هايتس ، نيويورك. أنا في الغرفة حيث يوجد أحد خيارات الحوسبة المستقبلية. الكمبيوتر نفسه لا يترك انطباعًا كبيرًا ، ويبدو وكأنه خزان معدني معلق على السقف. الضجيج يعطي انطباعا - الطرق المعدنية الدورية السائدة في الغرفة. هذا هو صوت نظام التبريد ، مما يجعل المعدات إلى درجة حرارة قريبة من الصفر المطلق. ولا يتم تبريد رقاقة عادية هناك - هذا هو نهج IBM للحوسبة الكمومية.

في عام 2016 ، أصدرت شركة IBM إعلانًا مثيرًا دعت فيه الجمهور إلى تجربة إصدار مبكر من جهاز الكمبيوتر الكمومي الخاص به ، والذي يحتوي على خمسة كيلوبايت فقط - وهذا قليل جدًا لأي حوسبة جادة ، ولكنه يكفي للأشخاص لاكتساب تجربة برمجة حقيقية مع التكنولوجيا الجديدة. كانت التكنولوجيا تتطور بسرعة ، وقام IBM بتثبيت المزيد من الدبابات في غرفة الكمبيوتر الكمومية الخاصة به وأضاف عمليات جديدة حسب الحاجة. قامت الشركة بالفعل بتوسيع المشروع إلى 20 كيلوبايت ، وأعلنت بتفاؤل أنها تعد نسخة بإصدار 50 كيلوبايت.


مثل العديد من أجهزة الكمبيوتر الأولى للشركة ، فإن الكمبيوتر الكمومي الجديد لشركة IBM مغلق في علبة باللون البيج

عندما قمنا مؤخرا بزيارة مركز البحوث. كان توماس واتسون ، باحثو الشركة ، أكثر حذراً في تصريحاتهم ، مؤكدين أنهم لم يقدموا أي وعود ، وأن جهاز كمبيوتر 50 بت كان مجرد معلم آخر على الطريق إلى مستقبل أجهزة الكمبيوتر الكمومية. لكنهم أقنعونا بأن شركة IBM مضمونة للمشاركة في هذا المستقبل ، خاصة بسبب خصوصية النظام البيئي الذي تبدعه الشركة حول محاولاتها الأولى.

اللبنات رقاقة

لإنشاء كووبت ، تستخدم آي بي إم أسلاك فائقة التوصيل متصلة بالرنان ، مثبتة على ركيزة من السيليكون. تسمح الأسلاك والركيزة للشركة باستخدام كل الخبرة المكتسبة في إنشاء الدوائر الإلكترونية ، ولكن في هذه الحالة يكون السلك عبارة عن مزيج من النيوبيوم مع الألومنيوم ، مما يسمح لها بأن تكون فائقة التوصيل في درجات حرارة منخفضة للغاية. يقول جيري تشاو ، الذي أطلعنا على غرفة فحص المعدات ، أن الشركة لا تزال تجرّب التفاصيل في مجال تحسين الكيوبت ، وتختبر العديد من الصيغ والهندسة.

المرنان حساس لتردد الميكروويف ، مما يسمح لك بتعيين أو قراءة قيمة qubit باستخدام نبضات الميكروويف. تحتوي كل شريحة على عناصر بصرية تستقبل الموجات الدقيقة عند الإدخال وتوجهها إلى وحدات البت الفردية. لا تبرز أجهزة الميكروويف وحدها ، لذلك يتم تنظيم إدخال البيانات باستخدام المكونات الحالية الجاهزة مسبقًا. الصعوبة الوحيدة هي نقل بيانات الإدخال إلى شريحة مغمورة بعمق في خزان سائل من الهيليوم. لا يجب أن تتحمل المعدات المصممة لهذا درجات الحرارة المنخفضة للغاية فحسب ، بل أيضًا البقاء على قيد الحياة عن طريق التسخين مرة أخرى إلى درجة حرارة الغرفة. على الرغم من أن المعدات قادرة على العمل إلى ما لا نهاية بمجرد تبريدها دون الحاجة إلى استبدالها.


جزء من نظام التبريد الموجود في الخزانات. يسمح لك الهيليوم السائل بخفض درجات الحرارة إلى الصفر المطلق تقريبًا

تعتمد الحوسبة الكمومية على تعقيدات الكوبتات. أخبرنا Chow أنه لخلط أي من الكوبيتات ، يمكنك الاعتماد على حقيقة أن لديهم ترددات رنين مختلفة قليلاً. إذا خاطبنا كل عضو في زوج كوبيتات باستخدام تردد الرنين لشريكه ، فيمكن الخلط بينهما. ثم يمكن أن تتشابك مجموعات الأزواج في أنظمة مرتبة أعلى. يتم الحفاظ على تماسك Qubit لـ 100 μs ، ولكن يمكن الخلط بين بضعة كيلوبايت لمدة 10 ns. قال تشو إن الأمر يستغرق الآن عدة ميكروثانية لإرفاق الشريحة ، مما يمنح وقتًا كافيًا لإعداد النظام بالكامل وإجراء الحسابات.

لذا إذا كان كل شيء بسيطًا جدًا ، فلماذا لا نمتلك شريحة 50 كيلوبايت؟


التحكم في التبريد الخارجي - ولكن ليس جهاز كمبيوتر الكم

المشكلة هي أن الكوبيتات حساسة للغاية للضوضاء الخارجية. قد يكون هناك ضوضاء خارج الجهاز (على الرغم من أن الخزان المعدني يساعد في حماية الشريحة). يمكن أن يكون ضجيجًا داخليًا - نظام تبريد وكابلات ميكروويف ومكونات الرقاقة نفسها - كل هذا يمكن أن يتفاعل مع الكيوبت. وأي تفاعل كارثي للحسابات.

وهذا يعني أن أي تغيير في بنية الرقاقة ، حتى إضافة كيوبت واحد ، يمكن أن يغير تردد ونوع الأخطاء عند إجراء الحسابات. تعمل شركة IBM في النمذجة الصارمة ، وتحاول قصر هذه المشاكل على تصنيع الرقاقة ، ولكنها ، إلى حد ما ، عملية تجريبية وخطوة: تحتاج إلى استخدام الرقاقة ومعرفة ما يحدث. قال تشاو: "ستسمح لنا إضافة وحدات كوبيتات جديدة بتحديد مصادر الضجيج والتبادل".

يشار إلى ذلك أيضًا من قبل سارة شيلدون ، أحد العلماء الذين يعملون على أنظمة الموجات الدقيقة التي تتحكم في البيانات من الكيوبت وقراءتها. قال شيلدون: "لدينا أدوات جيدة لوصف المكونات الفردية ، ولكن لا توجد طرق مناسبة لوصف الجهاز بأكمله". "عندما نزيد النظام ، فإننا نواجه حالات يمكن أن تؤدي فيها السيطرة على قطعة واحدة إلى أخطاء في مكان آخر." وأضافت لاحقًا: "نحن نقترب من الحد الذي لم يعد من الممكن محاكاة هذه الأجهزة الكلاسيكية بعده - وكيف نقول بعد ذلك ما إذا كانت تعمل بشكل صحيح؟"


وكل ذلك من أجل ذلك؟ واحدة من رقائق اختبار الكمبيوتر الكمومي

التفوق أم الحجم؟

فكرة الكمبيوتر الكمومي هو أنه يمكنه إجراء حسابات من نوع معين بشكل أسرع بشكل أساسي من أجهزة الكمبيوتر العادية. من خلال توظيف عدد كافٍ من وحدات البت كيوبت ، سيكون الكمبيوتر الكمومي قادرًا على التعامل مع المهام التي يستغرقها الكمبيوتر التقليدي وقتًا أطول لحلها مما هو موجود في الكون. العتبة ، التي تجاوزت ما يمكن لجهاز الكمبيوتر الكمومي القيام به ، أطلق عليها اسم "التفوق الكمومي". ذكرت Google ، بعد أن أعلنت عن تطوراتها في مجال الحوسبة الكمومية في مارس 2018 ، هذا المفهوم.

بطبيعة الحال ، صاغت Google مفهومها للتفوق الكمّي من حيث العدد المسموح به من الأخطاء (مثل هذا المبلغ الذي لن نتسامح معه من الكمبيوتر التقليدي). وعلى النقيض من ذلك ، تقوم شركة IBM بتطوير قيم qubits لتصحيح الخطأ. لسوء الحظ ، يتطلب هذا النظام عدة كيلوبايت إضافية. اقترح بوب ساتور ، نائب رئيس شركة IBM للحوسبة الكمومية ، أن الكمبيوتر الكمومي الذي يحتوي على عدة مئات من وحدات البت لتصحيح الأخطاء يحتاج إلى آلاف وحدات البت لكي يعمل.



تذكر أن الشركة لا تزال تعمل على نظام يحتوي على 50 كيلوبايت لا تشارك في تصحيح الأخطاء. في المستقبل القريب ، لا يهددنا التفوق الكمي.

وبدلاً من ذلك ، تقترح شركة IBM البدء في التفكير من حيث "الحجم الكمي" ، وهو مقياس يجمع بين عدد وحدات البت التي تستخدم في الحسابات مع عدد الأخطاء. سيسمح الحجم الكمي بإجراء مقارنة ذات معنى لأجهزة الكمبيوتر من IBM وتلك الأجهزة التي وصفتها Google. ومع ذلك ، لن يسمح لنا هذا الإجراء بمعرفة مدى فائدة كل من هذه الآلات.

وإلى حد ما ، يبدو الجواب على هذا السؤال: "هذا يعتمد". في بعض الحالات ، يمكنك التعامل بأمان مع الأخطاء. على سبيل المثال ، يمكن التحقق من العوامل البسيطة لعدد كبير على جهاز كمبيوتر كلاسيكي. في حالات أخرى ، ستجعل الأخطاء نتيجة الحسابات غير موثوقة ، ولن تكون هناك طريقة سهلة للتحقق منها. لذلك ، أجهزة الكمبيوتر الحالية غريبة بعض الشيء. قال جاي جامبيتا ، مدير مجموعة الحوسبة الكمومية ودراسة المعلومات في شركة آي بي إم: "يمكننا أن نفعل شيئًا لا يمكن التنبؤ بسلوكه بشكل كلاسيكي ولا يكون عمله عرضة للخطأ". "نحن لا نعرف ما الذي يمكن حسابه بمساعدتهم."

وأشار إلى أنه تم إنشاء العديد من خوارزميات الكمبيوتر الكلاسيكية لأول مرة ، وعندها فقط تم إثبات فعاليتها. في حالة أجهزة الكمبيوتر الكمومية ، من الصعب جدًا إثبات شيء ما.

يمكنك ببساطة الانتقال إلى الإحصائيات: قم بتشغيل الخوارزمية عدة مرات (من المحتمل أن تلغي جزءًا أو كل ميزة التسارع الكمي) وتأخذ الإجابة الأكثر شيوعًا. تحل IBM هذه المشكلة ، على وجه الخصوص ، من خلال مشاركة الجمهور ، بدعوة الجميع لتجربة أجهزة الكمبيوتر الخاصة به. إذا كانت مفيدة لشيء ما في الحالة الحالية ، فهناك احتمال أن يخمنه شخص ما.

SDK لمراقبة الجودة

كيف تجذب الجمهور للعمل على آلة تحتاج إلى بنية تحتية توفر تبريدًا سليميًا بالهيليوم ولا يمكنها تشغيل البرامج الحالية؟ يقع جزء من إجابة السؤال على أحد جدران غرفة الكمبيوتر ، على شكل خادم تقليدي أكثر يعتمد على المعالج الدقيق POWER . يقبل الخادم المهام التي يرسلها الأشخاص الذين سجلوا لاختبار معدات الكم. من بينها هناك شركات مالية كبيرة ، وطلاب يدرسون علوم الكمبيوتر.

لكن شركة IBM تعتمد على جزء آخر من الإجابة: SDK عالي المستوى ، والذي يطلق عليه QISKit. كما تصف مصمم أنظمة التحكم الخاص بها سارة شيلدون ، تعتمد نبضات الميكروويف من هذا النظام على مجموعة من مولدات وخلاطات ومكبرات الصوت الموجية التعسفية. لكن QISKit يسمح للمستخدمين بتجاهل كل هذه التفاصيل. إنها تسمح لهم بتعيين الحالة الأولية للكيوبتات الفردية واتصالاتهم ، ثم يقوم البرنامج - وهو شيء مثل المترجم الكمومي - بترجمة ذلك إلى مجموعة من النبضات الضوئية المطلوبة لكي يعمل النظام كما ينبغي. يعد جاي جامبيتا: "لن تصطدم أبدًا بنبضات الميكروويف".

تتم البرمجة في Python ، مما يسمح للناس باستخدام المهارات الموجودة.


نظام التبريد مغلق ولا يلزم استبدال الهيليوم

يُعد تبسيط الوصول طريقة مؤكدة لتشجيع مشاركة الجهات الخارجية ، ولكن نجاح المؤسسة جعل شركة IBM مهمة إدارة المجتمع. أكد جامبيتا أنه تم إنشاء QISKit والمترجم المرافق من أجل الحصول على نظام عمل. ناقش كيفية جعل النظام أكثر نمطيًا بحيث يمكن أن يشمل مساهمات من مستخدمين مختلفين - في رأيه ، قام فريق IBM بالفعل بتجميع مساهمات في التعليمات البرمجية أكثر مما يمكنه التعامل معها. وذكر أيضًا أنه يرغب في البدء في جمع شيء مثل مكتبات الكود ، مشيرًا إلى أن أشياء مثل تنفيذ تحويل فورييه السريع قد أظهرت قيمتها في حل عدد كبير من المشاكل.

وبينما تشجع IBM مثل هذه الجهود ، تأمل جامبيتا أيضًا في أن يوقظ الناس الاهتمام بهذا الموضوع بشكل طبيعي. منذ الولادة ، كانت الحوسبة الكمومية في معظمها في مجال الفيزياء. لم ير علماء الكمبيوتر أي سبب للقيام بذلك ، لأن المعدات ببساطة لم تستطع تزويدهم بأي حسابات. بدأ الوضع يتغير ، وقد تكون مساهمة علماء الكمبيوتر حاسمة في تطوير هذا المجال ، لأنه ، كما يلاحظ جامبيتا ، "يفكرون في المهام بشكل مختلف ، وليس كما نفعل نحن الفيزيائيون."

كما أنه متفائل بشأن استخدام معدات IBM في دورات علوم الكمبيوتر. عندما تصبح الحوسبة الكمومية جزءًا منتظمًا من تثقيف الناس ، سيكون من الأسهل عليهم الارتباط بهم كأداة مفيدة لمجموعة محددة من المهام. في هذه المرحلة ، سيصبح الكمبيوتر الكمومي شيئًا مثل GPU أو معدات متخصصة أخرى ، بمعنى أن الناس بحاجة فقط إلى تقرير ما إذا كان التسريع المحتمل لكتابة رمز خاص يستحق ذلك.

بشكل عام ، بعد الزيارة ، لدي انطباع بأن الحوسبة الكمومية وصلت إلى نقطة انتقالية. كان هناك حاجة إلى جزء من الجولة من أجل النظر إلى المعدات ، ولكن قد يصبح الجزء الأقل إثارة للاهتمام في هذه المنطقة. مع حركة التقدم وإضافة كيوبتات جديدة ، ستكون العملية بطيئة التحسن والاختبار التجريبي. والمعدات المخبأة داخل خزان معزول بعناية مليء بالهيليوم السائل ليست الشيء الأكثر إثارة للاهتمام أن نرى.

تتلخص المهمة برمتها الآن في كيفية تحقيق أقصى استفادة من المعدات الموجودة ، وكيف يمكن استخدامها لضمان استعدادنا لزيادة قدرات أجهزة الكمبيوتر. وفي تلك اللحظة ، أصبح العامل البشري - جمع الخبرات وإدارة المجتمع - يكتسب أهمية متزايدة.