كيفية تقييم أجهزة الكمبيوتر التي لا وجود لها بعد

لتقييم أداء حاسوب عملاق ، يلجأ علماء الكمبيوتر إلى أداة قياسية: مجموعة من خوارزميات LINPACK تساعد على التحقق من قدرة الآلة على حل المشكلات بعدد كبير من المتغيرات. ولكن بالنسبة لأجهزة الكمبيوتر الكمومية التي ستتمكن يومًا ما من حل المشكلات التي يتعذر الوصول إليها على أجهزة الكمبيوتر العادية ، لا يوجد مثل هذا المعيار لقياس الأداء.

أحد الأسباب هو أن أجهزة الكمبيوتر ، التي ستضطر إلى استخدام قوانين ميكانيكا الكم لتسريع بعض العمليات الحسابية ، لا تزال في حالة بدائية ، وتتنافس الدوائر المختلفة الممكنة للأجهزة على أجهزة الكمبيوتر مع بعضها البعض. في بعضها ، يتم تضمين البتات الكمومية ، أو الببتات المستخدمة في الحساب ، في لفات سلسلة من الأيونات "التي تم التقاطها" ، بينما يعتمد البعض الآخر على قطع من المعادن فائقة التوصيل التي يتردد صداها استجابة لإشعاع الميكروويف. يقول سكوت آرونسون ، متخصص تكنولوجيا المعلومات في جامعة تكساس في أوستن ، إن مقارنة البنى البدائية يشبه "كما لو ذهبنا إلى الحضانة لتقرير الأطفال الذين سيصبحون لاعبي كرة سلة مشهورين".

ومع ذلك ، يقوم الباحثون بالفعل بمحاولاتهم الأولى لقياس سرعة أجهزة الكمبيوتر الكمومية. في يونيو 2019 ، قدمت مارجريت مارتونوسي ، أخصائية تكنولوجيا المعلومات في جامعة برينستون وزملاؤها ، مقارنة بين أجهزة الكمبيوتر الكمومية من IBM و Rigetti Computing من بيركلي وجامعة ميريلاند (UMD) في كوليدج بارك. عالج جهاز UMD يعمل على أيونات محاصرة معظم خوارزميات الاختبار الـ 12 بدقة أكثر من أجهزة الكمبيوتر الأخرى فائقة التوصيل ، وأعلن الفريق ذلك في ندوة Phoenix International Architecture Architecture. يتنبأ كريستوفر مونرو ، عالم الفيزياء بجامعة UMD ومؤسس IonQ ، بأن مثل هذه المقارنات ستصبح يومًا ما هي المعيار. "خوارزميات الألعاب هذه تعطينا إجابة بسيطة - هل نجحت أم لا؟" ومع ذلك ، حتى Martonosi يحذر من أنه يجب توخي الحذر في هذه الاختبارات. يؤكد التحليل أيضًا على مدى صعوبة مقارنة أجهزة الكمبيوتر الكمومية ، ونتيجة لذلك ، يتمتع المطورون بحرية اختيار المقاييس التي تعرض أجهزةهم في أفضل ضوء ممكن.

تعمل أجهزة الكمبيوتر التقليدية مع أجزاء من المعلومات المشفرة في الترانزستورات التي يمكن تشغيلها وإيقافها ، مما يشير إلى الصفر أو واحد. يمكن أن يشير الكوبت في وقت واحد إلى الصفر والواحد ، مع ترميز الحالة في أيون ، والتي يمكن أن تكون تدورها صفرية أو مفردة ، أو يمكن أن تكون في كلتا الحالتين في وقت واحد. تسمح الكيوبيتات للجهاز بمعالجة مجموعة من البيانات الواردة في وقت واحد ، بدلاً من القيام بذلك بالتتابع. لكن القدرات الحقيقية للآلة لا تتحقق من خلال هذا التوازي الهائل ، ولكن من خلال اتباع نهج للمشاكل التي يمكن ترميز حلولها في موجات الكم تتناثر بين البتات. تتداخل الأمواج بطريقة تغرق فيها القرارات الخاطئة ، وتطفو القرارات الصحيحة.

يمكن للكمبيوتر الكم ، على سبيل المثال ، كسر أنظمة تشفير الإنترنت استنادًا إلى عامل الأعداد الكبيرة - بالنسبة إلى الكمبيوتر الكلاسيكي ، هذه مهمة صعبة للغاية. لكن حل مثل هذه المشكلات سيتطلب 100000 بت ، وكذلك طرق لتصحيح الأخطاء في الموجات الكمومية الحساسة. يقول الباحثون أن هذه الآلات لن تظهر لعدة عقود. ومع ذلك ، ستتمكن قريبًا أجهزة الكمبيوتر الكمومية التي تحتوي على بضع عشرات فقط من البتات الصاخبة من التنافس مع الأجهزة العادية في بعض المهام ، ويبحث المطورون بالفعل عن مقاييس مناسبة لإثبات ذلك.

قفزة نوعية

تبحث Rigetti Computing عن تطبيق يمكنه أن يعطي ميزة عملية لجهاز كمبيوتر كمومي يعتمد على شريحة فائقة التوصيل. تقوم شركات أخرى بترويج مقاييس أخرى لقياس التقدم المحرز.

أحد أكثر المقاييس شيوعًا هو حل مشكلة أكثر من اللازم بالنسبة لجهاز كمبيوتر عادي أو ما يسمى. تفوق الكم. قال جون مارتينيس ، عالم فيزياء في سانتا باربرا ، يدير مشروع جوجل للتفوق في جهاز يحتوي على 72 بتة فائقة التوصيل "إنه يشبه مشروع" مرحبًا بالعالم "، مما يدل على أداء جهاز الكمبيوتر الكمي."

المهمة التي اختارها الباحثون من Google مجردة للغاية. في الواقع ، يبرمجون الكمبيوتر الكمومي الخاص بهم للقيام بمجموعة من العمليات العشوائية المتكررة باستمرار على وحدات البت. بسبب التداخل الكمومي ، يجب أن تنتج الآلة تسلسلات معينة من الأصفار وتلك التي لها احتمال أكبر من غيرها. إذا لم يكن هناك تداخل ، فإن احتمال حدوث كل من هذه التسلسلات وغيرها سيكون هو نفسه. بالإضافة إلى ذلك ، فإن التنبؤ بالتوزيع الدقيق لنتائج العمل يتجاوز إمكانيات أجهزة الكمبيوتر التقليدية مع زيادة عدد البتات. لذلك إذا تمكن باحثو Google من قياس هذا التوزيع المميز لجهازهم البالغ 72 كيلو بايت ، فسيعني ذلك أنهم حققوا تفوقًا كميًا عن طريق حساب شيء غير متاح لجهاز كمبيوتر عادي. يقول جريج كوبربرج ، عالم الرياضيات في جامعة كاليفورنيا ، ديفيس ، إن هذا التمرين الخفي لن يفتح عصر أجهزة الكم الكمومية المفيدة عمليًا. "هذا هو التفوق في حل مهمة عديمة الفائدة تماما."

على العكس من ذلك ، يسعى الباحثون من ريجيتي لإظهار أن الكمبيوتر الكمومي لديهم قادر على أداء بعض المهام المفيدة بشكل أكثر دقة وأسرع وأرخص من المعتاد - ووصفوا هذا المتري بأنه ميزة كمية. وقال تشاد ريجيتي ، عالم فيزياء ومؤسس الشركة الناشئة: "نريد أن نحقق خصائص يمكن أن تُظهر لنا أقصر طريق إلى القيمة التجارية". على سبيل المثال ، كما يقول ، يمكن أن يكون الكمبيوتر الكمي مثاليًا لنمذجة التفاعلات المعقدة للأصول المالية في صندوق تحوطي.

في سبتمبر 2018 ، عرض Rigetti مليون دولار لأول مستخدم تمكن من تحقيق مزايا كمية على أجهزة الكمبيوتر الخاصة به ، وهو في متناول الجميع. يستخدم الإصدار الحالي 16 بت فائق التوصيل. يقول آرام هارو ، عالم فيزياء بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، نظرًا لأن عوامل مثل التكلفة متضمنة في القياس ، فإن الميزة الكمية لا تحتوي على مثل هذا التعريف الصارم. يقول هارو: "لكن إذا كانت ضبابية صغيرة ، فهي ليست مشكلة كبيرة بالنسبة لريدجيتي".

حدد باحثو IBM حجم الكم المتري - وهو يقيس أداء أجهزة الكمبيوتر الكمومية دون مقارنة بأجهزة الكمبيوتر التقليدية. ويشمل فحص جهاز كمبيوتر الكم على حسابات عشوائية ، على غرار ما يفعلونه في جوجل. يعتمد ذلك على عدد البتات وعدد الدورات الحسابية التي يمكن أن تقاومها الآلة قبل غسل حالتها الكمية.

وقال جاي جامبيتا ، عالم الفيزياء في مركز أبحاث آي بي إم ، باستخدام جهاز يحتوي على 20 وحدة فائق التوصيل ، وصل علماء شركة آي بي إم إلى حجم الكم البالغ 16 وحدة ، ويخططون لمضاعفتها سنويا. توماس واتسون في مرتفعات يوركتاون ، نيويورك. يقول أن التطبيقات المتقدمة سوف تتبع بشكل طبيعي. "لا أعتقد أنه من المفيد وضع علامة على شيء مثل التفوق. نحن ندرك هذا عندما نتحرك نحو إنجازات أكبر من أي وقت مضى. "

وهناك مقارنة مباشرة ، مثل Martonosi. في الاختبارات التي أجراها ، حل جهاز أيون 5 كيلو بايت كل المشكلات بشكل صحيح في 90٪ من الحالات ، مقارنةً بآلات qubit فائقة التوصيل التي لم تحل المشكلات في أكثر من 50٪ من الحالات. هذا الاختلاف يعكس الوضع الحالي للتكنولوجيا ، ولكن ليس إمكاناتها ، كما يقول مارتونوسي. على سبيل المثال ، في أي جهاز فائق التوصيل ، يتفاعل كل qubit فقط مع جيرانه ، لكن كل أيون في جهاز UMD يتفاعل مع جميع الأيونات الأخرى ، وهذا يعطيه ميزة. لكن الأجهزة الأكبر مع الأيونات لم تعد لديها هذه الميزة.

يقول Martonosi إن المقارنات تظهر تحسنا ملحوظا في أداء جميع أجهزة الكمبيوتر الكمومية عند برمجتها من أجل الاختلافات في ضوضاء البتات واتصالها. "إنها تعمل على مجموعة واسعة من خيارات الأجهزة" ، كما تقول. "وهذا رائع جدا."

يتساءل هارو عن مدى فائدة المقاييس الحالية على المدى الطويل. ويقول إن الصعوبة الرئيسية في الحوسبة الكمومية هي إيجاد التكنولوجيا التي يمكن أن تصل إلى آلاف الكيوبت. "وهذه المقاييس مرتبطة بشكل كبير بقضايا التوسع".