يستكشف باحثو الحوسبة الكمومية ما إذا كان من الممكن الحصول على ميزة الحوسبة الكمومية دون تصحيح الأخطاء الكمومية. كلما كان بإمكان أي شخص أكبر أن يصنع حاسوبًا كميًا مع الاستمرار في خفض معدلات الخطأ، زادت احتمالية العثور على مهام تتفوق فيها أجهزة الكمبيوتر الكمومية غير المصححة للأخطاء بشكل كبير على أفضل الخوارزميات الكلاسيكية. توفر دقة البوابة العالية والاتصال التعسفي الذي توفره
لقد مكنت بنية QCCD للأيونات المحاصرة من تنفيذ RCS في نظام حسابي صعب وبدقة غير مسبوقة تمامًا، مما يترك مجالًا كبيرًا مفتوحًا لتوسيع نطاق مثل هذه العروض التوضيحية حتى بدون مزيد من التقدم في تقليل معدلات خطأ البوابة.
إننا على ثقة من أن H2 ليس قريبًا بأي حال من الأحوال من حدود مدى إمكانية دفع مثل هذه العروض التوضيحية باستخدام بنية QCCD. على سبيل المثال، يبدو أن زيادة أحجام النظام مع تقليل أخطاء الذاكرة وأوقات الدوائر ومعدلات خطأ 2Q كلها قابلة للتحقيق باستخدام التقنيات الحالية من خلال التحرك نحو بنيات احتجاز ثنائية الأبعاد بشكل أصلي، والتحول إلى أيونات كيوبت (مثل 137Ba +) التي توفر دقة SPAM أفضل من 171Yb + وتسمح ببوابات 2Q المستندة إلى الليزر بطول موجي مرئي مع ميزانيات خطأ أكثر ملاءمة. ونظرًا لأن دوائر RG تتطلب أعماقًا منخفضة للغاية لتصبح صعبة المحاكاة (وتساهم نسبة ثابتة من كيوبت في أسوأ حالة صعوبة للمحاكاة حتى مع زيادة N بعمق ثابت)، فإن التقدم في التوسع في المدى القريب في بنية QCCD يجب أن يمكّن التنفيذ الدقيق للدوائر الكمومية التي تقع محاكاتها بعيدًا عن متناول
من أي حساب كلاسيكي يمكن تصوره.
تمكن حاسوب الكم QCCD المتطور Quantinuum H2 من العمل بما يصل إلى 56 كيوبت مع الحفاظ على اتصال عشوائي وتحسين دقة البوابة ذات الكيوبتين العالية. وكاختبار لقدرات حاسوب الكم H2، قاموا بتنفيذ RCS في أشكال هندسية معينة عشوائيًا.
إذن، ما هي المقارنة بين نتائج H2-1 والحاسوب العملاق الكلاسيكي؟
يمكن إجراء مقارنة مباشرة بين الوقت الذي استغرقه H2-1 لأداء RCS والوقت الذي استغرقه حاسوب فائق كلاسيكي. ومع ذلك، يمكن إجراء عمليات محاكاة كلاسيكية لـ RCS بشكل أسرع من خلال بناء حاسوب فائق أكبر (أو من خلال توزيع عبء العمل على العديد من أجهزة الكمبيوتر الفائقة الموجودة). تتمثل المقارنة الأكثر قوة في النظر في كمية الطاقة التي يجب إنفاقها لأداء RCS إما على H2-1 أو على أجهزة الحوسبة الكلاسيكية، والتي تتحكم في النهاية في التكلفة الحقيقية لأداء RCS. يشير التحليل القائم على أكثر الخوارزميات الكلاسيكية المعروفة كفاءة لـ RCS واستهلاك الطاقة لأجهزة الكمبيوتر الفائقة الرائدة إلى أن H2-1 يمكنه أداء RCS عند 56 كيوبت مع انخفاض في استهلاك الطاقة يقدر بنحو 30000 ضعف. يجب اعتبار هذه النتائج المبكرة جذابة للغاية لأصحاب مراكز البيانات ومرافق الحوسبة الفائقة التي تتطلع إلى إضافة أجهزة الكمبيوتر الكمومية كـ “مسرعات” لمستخدميها.
إلى أين نذهب بعد ذلك
إن الإعلانات التي تم الإعلان عنها اليوم هي دليل واضح على أن المعالج الكمي H2-1 يمكنه أداء المهام الحسابية بكفاءة أكبر بكثير من أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية. وهي تدعم التوقعات بأن أجهزة الكمبيوتر الكمومية لدينا ستتخلف بسرعة عن الركب مع تجاوزها لـ 56 كيوبت اليوم إلى مئات وآلاف وملايين الكيوبتات عالية الجودة. ومن المرجح أن تصبح أجهزة الكمبيوتر الكمومية من Quantinuum الجهاز المفضل مع استمرار التدقيق في استهلاك الطاقة لأجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية المطبقة على أحمال عمل شديدة الكثافة مثل محاكاة الجزيئات والهياكل المادية – وهي المهام التي من المتوقع على نطاق واسع أن تكون قابلة للتسريع باستخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية.
مع هذا الترقية في عدد البتات الكمومية لدينا إلى 56، لن نقدم بعد الآن محاكيًا تجاريًا “شاملًا بالكامل” – أصبح من المستحيل الآن إجراء محاكاة رياضية دقيقة لمعالج الكم H2-1 الخاص بنا، لأنه سيشغل الذاكرة الكاملة لأفضل أجهزة الكمبيوتر العملاقة في العالم. مع 56 بتًا كمومية، فإن الطريقة الوحيدة للحصول على نتائج دقيقة هي التشغيل على الأجهزة الفعلية، وهو الاتجاه الذي تبناه بالفعل القادة في هذا المجال.
إن البنيات المختلفة لـ H2 و H3 و H4 و H5 المخطط لها كلها خطوات لإتقان قدرات التمكين البسيطة قبل إضافة ميزات جديدة. H3 هو نظام شبكي سيضيف تحكمًا أكثر إحكامًا في كيوبتات الأيونات. سيبني نظام H4 ليزرات تحكم في المعالجات. كل هذا سيؤدي إلى معالجات كمية كبيرة الحجم.
لقد أظهروا أن الجمع بين متطلبات العمق المنخفض (التي توفرها الاتصال التعسفي) مع دقة البوابة العالية التي تم تحقيقها على الكمبيوتر الكمومي H2 تمكن من أخذ العينات من الدوائر التي تتحدى الكلاسيكية في نطاق غير مسبوق من الدقة: الدوائر العميقة بما يكفي لـ
يمكن تنفيذ تشبع تكلفة المحاكاة الكلاسيكية من خلال انكماش شبكة الموتر الدقيق (بافتراض عدم وجود قيود على الذاكرة) دون خطأ واحد في حوالي 35٪ من الوقت. تاريخيًا، تنبع الثغرة الأكثر أهمية في الادعاء بأن RCS صعب كلاسيكيًا في الممارسة العملية من
إن الدقة المنخفضة للدوائر التي تم تحقيقها للدوائر العميقة بما يكفي لتصبح صعبة المحاكاة بشكل كلاسيكي. ويبدو أن الدقة العالية التي تم تحقيقها في هذا العمل تغلق هذه الثغرة بشكل ثابت. وعلى عكس عروض RCS السابقة، والتي تم فيها تعريف الدوائر بعناية في إشارة إلى أكثر البوابات القابلة للتحقيق أداءً، فإن الدوائر تتألف من متشابكات مثالية طبيعية (تعادل بوابات التحكم Z حتى دورات البت الكمومي الفردي) وبوابات البت الكمومي العشوائية الفردية Haar. يتم تشغيل جميع الدوائر “بكامل طاقتها” بالإعدادات الافتراضية التي سيتم تطبيقها على الوظائف التي يرسلها أي مستخدم لـ H2، دون أي تجميع أو معايرة لأغراض خاصة. ويستنتج الباحثون أنه حتى مع وجود 56 كيوبت، فإن القوة الحسابية لـ H2 لـ RCS محدودة بشدة بعدد الكيوبت وليس الدقة أو سرعة الساعة، مع ما يعنيه ذلك من أن الفصل بين القوة الحسابية بين أجهزة الكمبيوتر الكمومية القائمة على QCCD وأجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية سوف تستمر في النمو بسرعة كبيرة مع استمرار زيادة عدد الكيوبت.
تم بناء أجهزة الكمبيوتر الكمومية من سلسلة H2 حول مصيدة أقطاب سطحية على شكل مسار سباق.
تم تقديم دليل تجريبي على وجود فجوة بين القوى الحسابية لأجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية والكمية من خلال التجارب التي أخذت عينات من توزيعات مخرجات الدوائر الكمومية ثنائية الأبعاد. استخدمت العديد من المحاولات لسد هذه الفجوة محاكاة كلاسيكية تعتمد على تقنيات شبكة الموتر، وسلطت قيودها الضوء على التحسينات التي طرأت على الأجهزة الكمومية المطلوبة لإحباط المحاكاة الكلاسيكية. على وجه الخصوص، تكون أجهزة الكمبيوتر الكمومية التي تحتوي على أكثر من 50 كيوبت معرضة بشكل أساسي للمحاكاة الكلاسيكية بسبب القيود المفروضة على دقة بواباتها واتصالها، حيث يحدد الأخير عدد البوابات المطلوبة (وبالتالي مقدار عدم الدقة التي تعاني منها) في توليد حالات متشابكة للغاية. هنا، نصف ترقيات الأجهزة الأخيرة لجهاز الكمبيوتر الكمومي H2 من Quantinuum مما مكنه من العمل على ما يصل إلى 56 كيوبت باتصال عشوائي ودقة بوابة ثنائية الكيوبت بنسبة 99.843(5)٪. وباستخدام الاتصال المرن لـ H2، يقدم الباحثون بيانات من أخذ عينات عشوائية من الدوائر في أشكال هندسية عالية الاتصال، ويفعلون ذلك بدقة غير مسبوقة وبمقياس يبدو أنه يتجاوز قدرات الخوارزميات الكلاسيكية الحديثة. ومن المرجح أن تقتصر الصعوبة الكبيرة في محاكاة H2 بشكل كلاسيكي على عدد البتات الكمومية فقط، مما يوضح وعد وقابلية التوسع لهندسة QCCD مع التقدم المستمر نحو بناء آلات أكبر.
أعمال كمية سابقة
أجرت Nextbigfuture مقابلة مع الرئيس والمدير التنفيذي للعمليات الكمتوني أوتلي، والدكتور هنريك دراير، قائد الفريق العلمي. لقد استخدموا شريحة الكمبيوتر الكمومية الجديدة H2 32 Qubit لتصميم شكل موجة حالة جديدة من المادة. لقد صمموا شيئًا يسمى الحالة الكمومية الطوبولوجية غير الآبيلية. كانت الحوسبة الكمومية الطوبولوجية أحد أهداف الحوسبة الكمومية الرئيسية لأكثر من عشرين عامًا. والسبب هو أن البتات الكمومية الطوبولوجية أكثر مقاومة للضوضاء والأخطاء.
الرائد العلمي، الدكتور هنريك دراير
الرئيس والمدير التنفيذي للعمليات توني أوتلي
يمكن تحقيق كيوبتات كمومية طوبولوجية باستخدام مواد جديدة أو باستخدام دالة موجية مصممة. يمكن تصميم الدوال الموجية باستخدام 27 كيوبت مع ثلاثة كيوبتات إضافية للتحكم. تخيل أن العديد من الكيوبتات تعمل معًا مثل أوركسترا سيمفونية تعزف النوتات بتناغم وتزامن مثاليين أو جوقة تغني معًا بشكل مثالي.
استخدامات جديدة كانت مستحيلة من قبل
يفتح هذا العمل مجالات بحثية جديدة ومثيرة في مجال فيزياء المادة المكثفة، والتي كان من المستحيل تحقيقها باستخدام الكمبيوتر الكلاسيكي وحده.
هذا مهم للغاية. كان الناس يتساءلون عما يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية فعله ولا تستطيع أجهزة الكمبيوتر العادية القيام به؟ يمكن لأجهزة الكمبيوتر العادية محاكاة حسابات البتات الكمومية حتى حوالي 50 بتًا كموميًا أو نحو ذلك. لا يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية إجراء تراكب أو تشابك ولكنها يمكن أن تتظاهر بأنها تشبه الكم باستخدام الصيغ. حالة الكم الطوبولوجية غير الأبيلية الجديدة هي حيث تتصرف البتات الكمومية مثل المادة المكثفة. تصبح الكم الطوبولوجية مثل أجهزة استكشاف فيزياء الكم الجديدة. يمكنها استكشاف سلوك المادة المكثفة بطرق لا يستطيع أي جهاز آخر القيام بها.
مسرعات الجسيمات هي أجهزة تعمل على تسريع الجسيمات التي تشكل كل المادة في الكون وتجعلها تتصادم مع بعضها البعض أو تصطدم بهدف. مسرعات الجسيمات هي أجهزة مصممة لاستكشاف الفيزياء والمادة في أنظمة الطاقة التي يستحيل على الأجهزة الأخرى الوصول إليها. بلغت تكلفة بناء مصادم الهدرونات الكبير حوالي 4.75 مليار دولار في عام 2012. والآن، أفادت التقارير أن مختبر سيرن في سويسرا يخطط لبدء بناء مصادم فائق جديد بحلول عام 2035 بتكلفة 23 مليار دولار.
ما هو الحجم الذي يجب أن يكون عليه نظام الحالة الكمومية الطوبولوجية ليكون له قيمة مسرع الجسيمات الكبير؟
ما مدى خطورة مشكلة الضوضاء في أجهزة الكمبيوتر الكمومية؟ لماذا تعد وحدات SuperQubits المقاومة للضوضاء مشكلة كبيرة؟
في ديسمبر 2022، نشرت مقالاً بعنوان “ما الذي يحدث بالفعل مع أجهزة الكمبيوتر الكمومية؟” والتي استشهدت بها مجلة IEEE Quantum Journal.
كان لدى Q-Ctrl برنامج يمكنه إزالة أسوأ البتات الكمومية أداءً في النظام لتقليل الضوضاء بآلاف المرات. لقد نظرت إلى عشرات العروض التقديمية ومئات الشرائح في مؤتمر Q2B (من الكم إلى الأعمال) لعام 2022. هذه شريحة مهمة تشرح الكثير عن مكان الأشياء في أجهزة الكمبيوتر الكمومية. عليك قضاء بعض الوقت في النظر إلى هذا الرسم البياني. على المحور الأفقي X، ترى عدد البتات الكمومية. على المحور الرأسي Y، ترى احتمالية الحصول على إجابة ناجحة. أقل من 8 بتات كمومية تنظر إلى فرصة نجاح تبلغ حوالي 10٪. عند 12-13 بتًا كمومية تنظر إلى فرصة نجاح تبلغ 0.1٪ في الحصول على إجابات. عند 15 بتًا كمومية هناك فرصة نجاح تبلغ 0.005٪. يتيح لك تقليل الضوضاء بآلاف المرات زيادة البتات الكمومية القابلة للاستخدام من حوالي 9 إلى حوالي 17.
يمكنك الحصول على إجابات عن طريق التحكم في الضوضاء ولا يمكنك بسرعة الحصول على إجابات في بحر من الضوضاء.
جودة البتات الكمومية العالية لجهاز Quantinuum H2 تفتح الباب أمام إمكانية الكم الطوبولوجية
تم إنشاء الميزات التمييزية والتحكم الدقيق في معالج H2، والحالة الطوبولوجية (وهي في الأساس عبارة عن كيوبت بسعة بوابة محدودة) بطريقة يمكن من خلالها التحكم في خصائصها بدقة في الوقت الفعلي، مما يدل على إنشاء وتضفير وإبادة (قياس) الأنيونات غير الآبيلية.
لقد تطلب الأمر معدلات الخطأ ودقة نظام التحكم في معالج H2 “لفتح” قدرة الحالة الطوبولوجية.
لقد تمكنوا من قلب البتات الكمومية الطوبولوجية غير الآبيلية. هناك حاجة إلى المزيد من العمل لإثبات العالمية والاستقرار.
إن التحسين المستمر بمعدلات خطأ أقل وتحكم أكثر دقة (المعروف أيضًا باسم دقة البوابة) من شأنه أن يفتح المجال أمام المزيد من القدرات.
تستخدم Quantinuum أيونات محاصرة. وهذا يعني أنها تستخدم جسيمات ذرية دقيقة فيزيائيًا للبتات الكمومية.
يحتوي هذا الإصدار من H2 على 32 كيوبت. تتوقع Quantinuum أن يكون لديها إصدار 50 كيوبت بحلول عام 2024. لقد عملوا على H2 في نوفمبر 2022 وكان لديهم كيوبت طوبولوجي غير أبيلي يعمل في 16 فبراير 2023. اختارت Quantinuum جمع المزيد من البيانات وإثبات القدرة الفريدة وجمع البيانات لإثبات أنها حققت قدرة فريدة قبل الإعلان.
إذا تم توصيل 50 كيوبت عالي الدقة بشكل كامل وقابل للاستخدام بالكامل، فقد يتجاوز هذا قدرات محاكاة الكم الكلاسيكية للكمبيوتر. هذا هو أحد الأسباب التي تجعل Quantinuum حريصة بشكل إضافي على إثبات العمليات على مساحات أصغر. عندما يتم تجميع الوحدات معًا وعندما يتم توسيع نطاق الأنظمة، فسيكون من الصعب للغاية اختبار الأنظمة الكمية الأكبر حجمًا.
استخدام H2 اليوم
وبالإضافة إلى هذا الاختراق الذي حقق نجاحاً كبيراً، فقد كان الهيدروجين 2 نشطاً بالفعل في الدراسات التجريبية التي أجرتها مجموعة من المنظمات والشركات، مع تحقيق نتائج ملحوظة:
• نشر قسم الأبحاث التطبيقية للتكنولوجيا العالمية في جي بي مورجان تشيس ورقة بحثية علمية حول تصميم خوارزمية التحسين الكمي لتحسين المحفظة، حيث تم التحقق من صحة النتائج الرقمية بنجاح على H2 أثناء الوصول المبكر.
• أظهر فريق التعلم الآلي في Quantinuum روتين تحسين استدلالي جديد يمكنه حل مشاكل التحسين باستخدام الحد الأدنى من الموارد الكمية.
الابتكارات في مجال الهيدروجين
تتضمن ميزات H2 في البداية 32 كيوبت متصلة بالكامل وعالية الدقة وهندسة معمارية جديدة تمامًا تعمل على تطوير التصميم الخطي لنموذج النظام H1 (مع مصيدة أيونات جديدة يشبه شكلها البيضاوي “مسار السباق”). استعرضت Quantinuum قدرة H2 من خلال إظهار حالة جيجاهرتز 32 كيوبت (حالة غير كلاسيكية مع تشابك جميع الكيوبتات الـ 32 عالميًا)، وهي الأكبر على الإطلاق.
يتيح التصميم الفريد “لحلبة السباق” لنظام النموذج H2 إمكانية الاتصال بين جميع البتات الكمومية، مما يعني أنه يمكن تشابك كل بت كمي في H2 بشكل مباشر مع أي بت كمي آخر في النظام. يؤدي القيام بذلك على المدى القريب إلى تقليل الأخطاء الإجمالية في الخوارزميات، ويفتح على المدى الطويل فرصًا إضافية لرموز تصحيح الأخطاء الجديدة الأكثر كفاءة – وكلاهما مهم لمواصلة تسريع قدرات الحوسبة الكمومية. عندما يقترن بإثبات أنيونات غير أبيلية خاضعة للرقابة، يسلط الإنجاز المتكامل الضوء على خطوة مهمة في تخزين ومعالجة المعلومات الكمومية الطوبولوجية.
بالإضافة إلى ذلك، فإن التصميم الجديد يمثل خطوة قوية نحو إظهار إمكانات التوسع في أجهزة مصائد الأيونات. لا يعد H2 مجرد دليل على قوة التوسع في مصائد الأيونات في بنية جهاز الشحنة المقترنة الكمومي (QCCD): حيث يُظهر القدرة على توسيع عدد البتات الكمومية في نفس الوقت مع الحفاظ على الأداء، كما يحتوي أيضًا على تقنيات جديدة تمهد الطريق لمزيد من التوسع في الأجيال اللاحقة. وعلى غرار أنظمة الجيل الأول، تم تصميم H2 لاستيعاب الترقيات المستقبلية على مدار دورة حياة المنتج، مما يعني أنه سيتم تحسين عدد البتات الكمومية وجودة البتات الكمومية.
إن البنيات المختلفة لـ H2 و H3 و H4 و H5 المخطط لها كلها خطوات لإتقان قدرات التمكين البسيطة قبل إضافة ميزات جديدة. H3 هو نظام شبكي سيضيف تحكمًا أكثر إحكامًا في كيوبتات الأيونات. سيبني نظام H4 ليزرات تحكم في المعالجات. كل هذا سيؤدي إلى معالجات كمية كبيرة الحجم.
تم إطلاق H2 بحجم Quantum Volume 65,536 متجاوزًا الرقم القياسي الأخير الذي تم الإعلان عنه باستخدام H1-1 في فبراير من هذا العام.
يتوفر H2 الآن من خلال الوصول السحابي من Quantinuum وسيتوفر من خلال Microsoft Azure Quantum بدءًا من شهر يونيو. بالإضافة إلى ذلك، أصبح من الممكن محاكاة H2 من خلال مجموعة أدوات تطوير البرامج cuQuantum من NVIDIA التي تحتوي على مكتبات وأدوات محسّنة، والتي تساعد في تسريع سير عمل محاكاة الحوسبة الكمومية.
طريقان إلى الأمام
تعد شركة Quantinuum حاليًا فريدة من نوعها بين العديد من شركات الحوسبة الكمومية. يمكنها المضي قدمًا في مسارين للتوسع. يمكنها استخدام رقائق H2 والرقائق اللاحقة كبتات كمومية عالية الجودة فقط وتوسيع نطاق هذه الأنظمة.
بإمكانهم استخدام H2 والرقائق اللاحقة من نوع super qubits غير Abelian مع ميزات مقاومة للضوضاء بطبيعتها.
ستستمر وحدات البت الكمومية عالية الدقة وأنظمة الدقة المحسنة في إطلاق العنان لإمكانيات جديدة مثل قمع الأخطاء المتفوقة وهندسة تصحيح الأخطاء الجديدة.
بريان وانج هو أحد رواد الفكر المستقبلي ومدون علمي شهير يبلغ عدد قرائه مليون قارئ شهريًا. وتحتل مدونته Nextbigfuture.com المرتبة الأولى بين مدونات أخبار العلوم. وتغطي العديد من التقنيات والاتجاهات المبتكرة بما في ذلك الفضاء والروبوتات والذكاء الاصطناعي والطب والتكنولوجيا الحيوية لمكافحة الشيخوخة وتكنولوجيا النانو.
يُعرف بقدرته على تحديد التقنيات المتطورة، وهو حاليًا أحد المؤسسين المشاركين لشركة ناشئة وجمع الأموال للشركات الناشئة ذات الإمكانات العالية في المراحل المبكرة. وهو رئيس قسم الأبحاث لتخصيص الاستثمارات في التكنولوجيا العميقة ومستثمر ملائكي في Space Angels.
وهو متحدث دائم في الشركات، وكان متحدثًا في مؤتمرات TEDx، ومتحدثًا في جامعة Singularity، وكان ضيفًا في العديد من المقابلات الإذاعية والبودكاست. وهو منفتح على التحدث أمام الجمهور وتقديم الاستشارات.