هل الحوسبة الكمومية أقرب إلى الواقع؟

تمت مناقشة الحوسبة الكمومية - وهي فكرة العمل مع أجهزة الكمبيوتر التي تُظهر خصائص الكم ، مثل القدرة على الاحتفاظ بعدة حالات في نفس الوقت - لفترة طويلة ، ولكن يبدو أنها الآن تقترب من الواقع ، مع بعض التطورات الكبيرة. في مؤتمر Techonomy الأسبوع الماضي ، أتيحت لي الفرصة لاستضافة لجنة حول هذا الموضوع مع قادة بعض الشركات التي تدفع المظروف حول هذا الموضوع ، بما في ذلك D-Wave و IBM.

أوضح بريان جاكوبس ، مستشار في شركة Berberian & Company ، التي تقدم المشورة بشأن الحوسبة الكمومية ، أنه في جميع الإلكترونيات التي نستخدمها اليوم ، يتم تخزين المعلومات من خلال شحنة الإلكترون الذي يتم تشغيله أو إيقاف تشغيله ؛ وبعبارة أخرى ، قليلا. ولكن إذا قمت بترميز المعلومات في حالة كمومية ، مثل الإلكترون المفرد أو الفوتون ، فيمكنك تعيين ذلك إلى صفر وواحد ، تمامًا مثل البت الكلاسيكي المعتاد ، ولكن أيضًا تراكب ، حيث يمكن أن يكون صفراً وواحدًا في وقت واحد. وأوضح أن الفكرة المثيرة للاهتمام هي أنه إذا كان لديك جهاز كمبيوتر كمي يحتوي على عدد كبير من وحدات البت الكمية هذه - والتي يطلق عليها غالبًا - وحدات البت ، فيمكنك تشغيله في تراكب لجميع المدخلات المحتملة في نفس الوقت ، ثم ، إذا كان بإمكانك معالجة المعلومات بطريقة متماسكة الكم ، بمعنى ما يمكنك حساب نفس الوظيفة على جميع المدخلات الممكنة في وقت واحد. ومن المعروف باسم التوازي الكم. وأشار إلى أن هناك نهجين مختلفين يجربهما الناس اليوم - أحدهما قائم على البوابة ، والذي يشبه إلى حد كبير الحواسيب الرقمية التقليدية ، والآخر يشبه العملية التناظرية ، والمعروفة باسم الصلب الكمي.

وقال فيرن براونيل ، الرئيس التنفيذي لشركة D-Wave Systems ، التي سلمت بالفعل بعض الآلات التي تستخدم الصلب الكمي ، إن شركته اختارت استخدام هذا النهج أولاً "لأننا اعتقدنا أن ذلك سوف يمنحنا القدرة بشكل أسرع من أي نوع آخر من الكم تنفيذ الحوسبة ". وقال إن D-Wave نظرت في نماذج أخرى من الحوسبة الكمومية ، ولكن هذا النهج كان الأكثر براغماتية.

وأوضح أنه على نحو فعال لديه مصلح كمي بألف بايت ، وهو قادر على استكشاف مساحة إجابة لإمكانات مختلفة من اثنين إلى عدد من البتات. يعمل هذا بشكل أساسي على مشاكل التحسين المعقدة ، ويتطلع إلى العثور على أقل طاقة أو أفضل إجابة لمشكلة التحسين هذه. أشار براونيل إلى أن غوغل قامت الآن بترقية آلة تم شراؤها من قبل لمختبر الذكاء الاصطناعي الكمي ، حيث تدرس كيف يمكن أن يساعد ذلك في التعلم الآلي. عميل آخر هو Lockheed ، الذي يبحث في مشكلة تسمى التحقق من البرامج والتحقق من صحتها.

أقر براونيل بأنه لم يتم إدخال أي من هذين المثالين بالفعل بعد ، لكنه قال إنهما قاما بتشغيل تطبيقات حقيقية تعمل على حل المشكلات الحقيقية على نطاق واسع. بمعنى آخر ، لم يصلوا بعد إلى النقطة التي تفوق فيها آلة D-Wave على أجهزة الكمبيوتر العملاقة الكلاسيكية ، لكنه قال "نحن قريبون جدًا من ذلك". في الأشهر القليلة المقبلة ، ستظهر الشركة "أن الكمبيوتر الكمومي يمكن أن يتفوق على أفضل ما يمكن أن تفعله الحوسبة الكلاسيكية. نحن في هذه النقطة المفصلية الآن."

أوضح مارك ريتر ، عضو فريق البحث البارز والمدير الأول لقسم العلوم الفيزيائية بمركز أبحاث IBM TJ Watson ، أن فريقه يقوم بعدد من المشروعات الكمية المختلفة ، لكنه ركز عمله على الحوسبة الكمومية وتصحيح الأخطاء..

اخترع أحد المنظرين في فريقه ، سيرجي برافي ، "رمز التكافؤ الطوبولوجي". وأوضح أننا نستخدم أكواد تصحيح الأخطاء في أجهزة الكمبيوتر التقليدية أيضًا ، ولكن المعلومات الكمومية هشة للغاية ، لذلك لإنشاء نظام قائم على البوابة ، تحتاج إلى رمز لحماية تلك المعلومات الكمومية الهشة. ابتكر فريقه نظامًا يتكون من 4 كيلو بايت ، مع وحدات البت التي تسمى "عمليات الإرسال" والتي يمكنها الاحتفاظ ببعض المعلومات الكمومية لفترة أطول ويمكن باستخدام رمز تصحيح الأخطاء إنشاء حوسبة كمية قائمة على البوابة. قال إن هذا يشبه شبكة مربعة حيث تكون البتات في رؤوس ورق الرسم البياني ؛ خوارزمية ثم يقوم بتثبيته هذا الرمز على وحدات البت. هدف IBM هو أن تكون قادرًا على إضافة المزيد والمزيد من وحدات البت إلى هذه الخوارزمية. وقال قريبا أنها قد تكون قادرة على الحفاظ على حالة الكم إلى أجل غير مسمى.

وأشار إلى كيفية استخدام البوابات الكمومية للتشابك في جميع البتات ونظرًا إلى جميع الحالات المحتملة ، ومقارنة هذا بنمط التداخل الذي تراه عند إسقاط الكثير من الأحجار في البركة ، والحصول على تداخل بناء ومدمّر. وقال إن أفضل إجابة سيتم التدخل فيها بشكل بناء ، وستكون هذه الإجابة هي الإجابة الوحيدة التي ستنتهي إليها ، إذا كان هناك إجابة واحدة للمشكلة. وقال إنه في كمبيوتر كمومي قائم على البوابة ، يمكنك استخدام التداخل في هذا الترميز للحصول على إجابة في نهاية العملية ، ويجب تسريع ذلك بشكل كبير لبعض الخوارزميات.

على الرغم من أن هذا قد لا يزال بعيد المنال ، قال ريتر إن الأشخاص يفكرون أيضًا في استخدام المكعبات لتشغيل المحاكاة التناظرية بدرجة عالية من التماسك ، مثل محاكاة الجزيئات المختلفة. وافق جاكوبس على محاكاة الكم ، وتحدث عن المحاكاة الكيميائية لجزيئات مستقرة للعثور على المخدرات.

لقد سألت عن خوارزمية Shor ، والتي تشير إلى أنه مع الكمبيوتر الكمومي ، يمكنك كسر الكثير من التشفير التقليدي. استخدم جاكوبس تشبيه سفينة الصواريخ التي تحاول إرسال رواد فضاء إلى القمر. قال جاكوبس إن الخوارزمية التي تنفذ المشكلة التي نحاول حلها ، مثل خوارزمية شور ، تشبه وحدة القيادة لسفينة الصواريخ ، وأن تصحيح الخطأ - مثل ما يعمل عليه فريق ريتر - يشبه المراحل من الصاروخ. لكنه قال إن أنواع محركات الوقود أو محركات الصواريخ التي لدينا الآن ليست كافية لأي سفينة صواريخ بحجمها. قال إنه سؤال صعب للغاية ، وأن كل النفقات العامة المرتبطة بإجراء الحسابات الكمومية وتصحيح الخطأ تعني أن العديد من الخوارزميات التي تبدو واعدة حقًا اليوم قد لا تتلاشى. وقال براونيل إنه يعتقد أن أمامنا عقدًا أو أكثر قبل أن تتمكن أجهزة الكمبيوتر الكمومية من كسر تشفير RSA وسيتعين علينا الانتقال إلى تشفير ما بعد الكم.

أكد براونيل أن نموذج بوابة الحوسبة الكمومية يختلف تمامًا عن الصلب الكمي ، وتحدث عن مدى فائدة ذلك عند حل بعض مشكلات التحسين اليوم. وقال أيضًا إنه يمكن أن يحل المشكلات التي تكون خارج نطاق أجهزة الكمبيوتر التقليدية تقريبًا. وأشار إلى أنه في بعض المعايير ، وجدت Google أن جهاز D-Wave يمكن أن يحل المشكلات في مكان ما بترتيب يتراوح ما بين 30 إلى 100000 ضعف أسرع من خوارزمية الأغراض العامة اليوم. على الرغم من أن هذه لم تكن خوارزمية مفيدة ، إلا أن فريقه يركز على خوارزميات حالة الاستخدام الفعلي التي يمكن أن تستفيد من هذه الإمكانية مع زيادة أداء المعالج كل 12-18 شهرًا.

قارن بينيل اليوم الحوسبة الكمومية لشركة إنتل عام 1974 عندما خرج مع أول معالج دقيق. لقد كان في شركة Digital Equipment Corp في ذلك الوقت ، وقال إننا في ذلك الوقت "لم نكن قلقين بشكل خاص من Intel ، لأن لديهم هذه المعالجات الصغيرة الرخيصة التي لم تكن في مكان قريب من هذه الصناديق الكبيرة والأشياء التي كانت لدينا. ولكن في غضون عشر سنوات ، كما تعلمون ، فقد انتهت الأعمال تمامًا وخرج Digital عن العمل. " وقال إنه على الرغم من أنه لا يعتقد أن الحوسبة الكمومية ستهدد عالم الحوسبة الكلاسيكية بأكمله ، إلا أنه يتوقع أن يرى هذه التحسينات الإضافية في المعالجات كل 18 شهرًا ، إلى درجة ستكون فيها القدرة ضرورية لمديري تقنية المعلومات. والمطورين للاستخدام.

على وجه الخصوص ، قال إن D-Wave قد شارك في تطوير خوارزميات التعلم الاحتمالي ، بعضها في فضاء التعلم العميق ، والتي يمكنها القيام بعمل أفضل في التعرف على الأشياء وفي التدريب أكثر مما يمكن القيام به دون الحوسبة الكمومية. في النهاية ، يرى هذا كمورد في السحابة سيتم استخدامه كثيرًا في مجاملة مع أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية.

وقال ريتر إنه كان من الصعب حقاً مقارنة أي من الأساليب الكمية مع الآلات الكلاسيكية التي تنفذ الحوسبة للأغراض العامة ، لأن الناس يصنعون المعجلات ، ويستخدمون وحدات معالجة الرسومات ووحدات FPGA المصممة للقيام بمهام محددة. قال إنه إذا كنت قد صممت بالفعل أسيكًا خاصًا بحل مشكلتك ، فإن الحوسبة الكمومية الحقيقية مع التسارع الحقيقي يجب أن تفوق على أي منها ، لأن كل كيوبيت تضيفه تضاعف مساحة التكوين. وبعبارة أخرى ، فإن جمع ألف رطل في البوصة يجب أن يزيد المساحة بمقدار 2 × 1000 ، وهو ما لاحظ أنه أكثر من عدد الذرات في الكون. وقال ، مع وجود جهاز كمبيوتر قائم على البوابة ، المشكلة هي أن البوابات تعمل بشكل أبطأ من هاتفك الخلوي ، لذلك لديك المزيد من العمليات التي تحدث في وقت واحد ، ولكن كل عملية تكون أبطأ من الكمبيوتر الكلاسيكي. وقال "لهذا السبب يتعين عليك صنع آلة أكبر قبل أن ترى هذا التقاطع".

أشار جاكوبس إلى مدى كفاءة الحوسبة الكمومية. وقال: "إذا نظرت إلى الطاقة التي تحتاجها باستخدام أفضل أجهزة الكمبيوتر فائقة الخضر في العالم ، إذا أردت القيام بمحاكاة تبلغ 65 كيلوبت ، فإن ذلك سيتطلب إنشاء محطة طاقة نووية واحدة" ، ثم إذا أردت ذلك. للقيام 66 فإنه يتطلب محطتين للطاقة النووية."

وقال براونيل إنه مع وجود أكثر من 1000 بت ، يمكن لآلة D-Wave الحالية أن تتعامل نظريًا مع نماذج تصل إلى 2 إلى 1000 ، أي ما يعادل 10 إلى 300. (على سبيل المقارنة ، حسب تقدير العلماء ، لا يوجد سوى حوالي 10 إلى 80 من ذرات الكون). لذا فهو يقول إن حدود الأداء على الكمبيوتر ليست بسبب قيود التلدين الكمي ، ولكن إلى الحد في I وظائف / O ، مشكلة هندسية يتم معالجتها في كل جيل جديد. في بعض الخوارزميات المعيارية ، يجب أن يكون الجهاز 1152 qubit للشركة أقوى 600 مرة من أفضل ما يمكن أن تفعله أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية ، كما يزعم.

إن بنية D-Wave ، التي تستخدم مصفوفة من البتات مع أدوات توصيل تشبه إلى حد ما شبكة عصبية ، كان لها تطبيق أولي على الشبكات العصبية للتعلم العميق في التعلم الآلي.

لكنه تحدث أيضًا عن تطبيقات أخرى ، مثل تشغيل ما يعادل عمليات محاكاة مونت كارلو ، وهو ما كان يفعله في شركة جولدمان ساكس (حيث كان مديرًا للتكنولوجيا) لحسابات القيمة المخاطرة. لقد تذكر هذا أخذ حوالي مليون نواة واضطر إلى الجري بين عشية وضحاها. من الناحية النظرية ، يمكن للكمبيوتر الكمومي القيام بأشياء مماثلة مع طاقة أقل بكثير. وقال إن آلة D-Wave تستخدم القليل جدًا ، ولكنها تحتاج إلى تشغيلها داخل ثلاجة كبيرة تحافظ على درجات حرارة منخفضة جدًا (حوالي 8 مليكلفين) ، لكن الجهاز نفسه لا يحتاج إلا إلى حوالي 15-20 كيلوواط للتشغيل ، وهو صغير جدًا لمركز البيانات.

ذكر ريتر فكرة مماثلة للنموذج القائم على البوابة ، وناقش أخذ عينات من العاصمة الكبرى التي قال إنها تعادل كمية مونتي كارلو الكم ، ولكن مع إحصاءات مختلفة بسبب خصائص التشابك.

يعمل فريق Ritter على المحاكاة التناظرية الكمومية ، حيث يمكنه حساب التصميم الجزيئي ورسم خريطة له في اتصال من الكابتات وجعله يحل الأوضاع المثالية وجميع سلوكيات الجزيء ، والتي قال إنها صعبة للغاية بمجرد الحصول على حوالي 50 إلكترونًا.

ناقش جاكوبس تشفير الكم ، والذي يتضمن مفتاحًا تم إنشاؤه بطريقة يمكن أن تثبت أن لا أحد كان يستمع إلى الإرسال. وقال ريتر إن تشارلي بينيت من آي بي إم قد وضع نظرية حول "الانتقال عن بُعد" للكمبيت على الرابط إلى جهاز آخر في الجهاز ، لكنه قال إنه يعتقد أن هذه التقنيات قد تجاوزت بضع سنوات.

أشار جاكوبس إلى الاختلافات بين حوسبة البوابة الكمومية والتليين الكمي ، لا سيما في مجالات تصحيح الأخطاء ، وأشار إلى أن هناك طريقة أخرى تسمى كذلك الحوسبة الكمومية الطوبوغرافية التي تعمل مايكروسوفت عليها.

يتمثل أحد التحديات المثيرة للاهتمام في كتابة التطبيقات لهذه الآلات ، والتي وصفها ريتر بأنها ترسل نغمات في تردد معين يؤدي إلى تردد الروايات المختلفة والتفاعل مع بعضها البعض في الوقت المناسب ، مما يتسبب في حدوث الحوسبة "مثل النتيجة الموسيقية تقريبًا". وأشار إلى أن هناك لغات ذات مستوى أعلى ، ولكن هناك الكثير من العمل لا يزال يتطلب المنظر. لاحظ جاكوبس أن هناك مستويات مختلفة من اللغات الكم مفتوحة المصدر مثل QASM و Quipper ، وكلاهما يركز بشكل كبير على نموذج بوابة الكم. أشار براونيل إلى أنه لم يكن هناك الكثير من النشاط على التلدين الكمي ، لأنه كان أكثر إثارة للجدل حتى وقت قريب ، وقال إن D-Wave كان عليها القيام بالكثير من هذا العمل بنفسها ، وتعمل على نقل اللغات إلى مستويات أعلى. في غضون خمس سنوات ، يأمل أن يكون استخدامها سهلاً مثل GPU أو أي نوع آخر من الموارد الكلاسيكية.