فهرست مطالب
کامپیوتر کوانتومی IBM یک میلیون نمونه را در ۱۹ ثانیه تولید کرد، کاری که طبق برآورد پژوهشگران با یک ابرکامپیوتر حدود ۱۱۰ سال زمان میبرد.
به گزارش سرویس سختافزار تکناک، نتایج آزمایش کامپیوتر کوانتومی IBM در مقالهای پیشانتشار منتشر شده است و هنوز فرایند داوری علمی را پشت سر نگذاشته است. پژوهشگران این دستاورد را نخستین نمایش برتری کوانتومی در نمونهبرداری استاندارد از مدار تصادفی روی یک پردازنده کوانتومی تجاری با دسترسی گسترده معرفی کردهاند.
پژوهشگران به سرپرستی تیگران سدراکیان، فیزیکدان نظری ماده چگال از شرکت آمریکایی BlueQubit، آزمایش خود را روی پردازنده Nighthawk r2 انجام دادند. این تراشه یک پردازنده کوانتومی ابررسانای ۱۲۰ کیوبیتی است که کاربران میتوانند از طریق پلتفرم ابری IBM به آن دسترسی داشته باشند.
اهمیت این موضوع به نحوه اجرای آزمایش نیز مربوط میشود. پژوهشگران برخلاف برخی آزمایشهای قبلی برتری کوانتومی، از یک پردازنده آزمایشگاهی اختصاصی استفاده نکردند. آنها آزمایش را از طریق گردشکار استاندارد پلتفرم ابری IBM و بدون کالیبراسیون ویژه برای این آزمایش اجرا کردند.
بیشتر بخوانید: کامپیوتر کوانتومی چیست و چگونه کار میکند؟
آزمایش Nighthawk r2 با ۶۱ کیوبیت
رقابت برای دستیابی به برتری کوانتومی از حدود سال ۲۰۱۸ شدت گرفت. مفهوم اصلی برتری کوانتومی بر وجود محاسباتی استوار است که انجام آنها برای کامپیوترهای کوانتومی امکانپذیر باشد، اما کامپیوترهای کلاسیک برای اجرای همان محاسبات به منابع یا زمان بسیار زیادی نیاز داشته باشند.
یکی از روشهای مورد توجه برای آزمایش این موضوع «نمونهبرداری از مدار تصادفی» یا RCS است. پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا برکلی در سال ۲۰۱۸ شواهد نظری مهمی ارائه کردند که نشان میداد این روش میتواند برای نمایش برتری کوانتومی مناسب باشد.
یک مدار کوانتومی از مجموعهای از عملیات روی کیوبیتها تشکیل میشود. این عملیات تا حدودی نقشی مشابه عملیات روی بیتها در کامپیوترهای معمولی دارند. در روش RCS، عملیات عمدتا به صورت تصادفی انتخاب میشوند و به تدریج یک حالت کوانتومی پیچیده را ایجاد میکنند.
پردازنده پس از ایجاد این حالت، آن را بارها اندازهگیری میکند و رشتههایی از صفر و یک را به عنوان نمونه تولید میکند. تولید نمونه برای پردازنده کوانتومی، دشواری اصلی محسوب نمیشود. مشکل زمانی ایجاد میشود که یک کامپیوتر کلاسیک بخواهد توزیع احتمالات لازم را برای بازتولید همان نتایج محاسبه کند. افزایش تعداد کیوبیتها و عملیات، پیچیدگی این محاسبات را به شدت افزایش میدهد.
گوگل در سال ۲۰۱۹ اعلام کرد که پردازنده ۵۳ کیوبیتی Sycamore این شرکت توانسته است آزمایش RCS را در مقیاسی فراتر از دسترس عملی یک ابرکامپیوتر کلاسیک انجام دهد. پژوهشگران حوزه محاسبات کلاسیک بعدا روشهای جدیدی برای بازتولید نتایج چنین آزمایشهایی پیدا کردند. در مقابل، پژوهشگران کوانتومی نیز آزمایشهای پیچیدهتری را طراحی کردند.
پژوهشگران در آزمایش جدید ۶۱ کیوبیت از پردازنده ۱۲۰ کیوبیتی Nighthawk r2 را انتخاب کردند. سپس آنها مدارهای تصادفی با پیچیدگی فزاینده را روی این کیوبیتها اجرا کردند. تعداد چرخهها در آزمایش تا ۴۰ مرحله افزایش یافت. در هر چرخه مجموعهای از عملیات روی کیوبیتها انجام شد و آنها با یکدیگر درهمتنیده شدند.
بیشتر بخوانید: ژاپن نخستین کامپیوتر کوانتومی فولاستک خود را در دمای اتاق راهاندازی کرد
عملکرد کامپیوتر کوانتومی IBM
پژوهشگران بهترین شرایط آزمایش را در ۳۶ چرخه پیدا کردند. مدار کوانتومی در این وضعیت شامل ۹۱۸ گیت دوکیوبیتی بود. پردازنده Nighthawk r2 توانست با این تنظیمات یک میلیون نمونه را تنها در مدت ۱۹ ثانیه تولید کند.
با وجود این، بخش پیچیدهتر پژوهش به تعیین زمان مورد نیاز برای انجام همین کار با یک کامپیوتر کلاسیک مربوط میشد. پژوهشگران نمیتوانند بهسادگی این برنامه را روی یکی از سریعترین ابرکامپیوترهای جهان اجرا کنند و مدتزمان انجام آن را اندازه بگیرند. اجرای چنین آزمایشی به منابع محاسباتی بسیار گسترده نیاز دارد و قدرتمندترین ابرکامپیوترهای جهان نیز با تقاضای بالایی برای استفاده روبهرو هستند.
پژوهشگران برای حل این مشکل از روشی موسوم به «انقباض شبکه تانسوری» استفاده کردند. این تکنیک امکان تخمین هزینه محاسباتی شبیهسازی یک مدار کوانتومی روی کامپیوتر کلاسیک را فراهم میکند.
محاسبات آنها نشان داد که بازتولید یک میلیون نمونه تولیدشده در این آزمایش به حدود ۱٫۲ × ۱۰²۷ عملیات محاسباتی نیاز دارد. سپس پژوهشگران این مقدار را با توان پردازشی ابرکامپیوتر Frontier مقایسه کردند.
Frontier نخستین ابرکامپیوتر اگزافلاپس جهان بود و تا سال ۲۰۲۴ عنوان سریعترین ابرکامپیوتر جهان را در اختیار داشت. حداکثر عملکرد این سیستم از یک کوینتیلیون یا ۱ × ۱۰¹۸ عملیات در ثانیه فراتر میرود.
پژوهشگران برای محاسبه زمان لازم، بهجای استفاده از حداکثر توان نظری Frontier، تخمین محافظهکارانهتری از عملکرد پایدار آن را در نظر گرفتند. بر اساس این محاسبات، بازتولید کاری که Nighthawk r2 در ۱۹ ثانیه انجام داده است، حدود ۱۱۰ سال زمان محاسباتی نیاز خواهد داشت.
بیشتر بخوانید: ابرکامپیوتر کوانتومی IBM Starling با قابلیت اجرای ۱۰۰ میلیون عملیات رونمایی شد
چرا برآورد ۱۱۰ سال قطعی نیست؟
عدد ۱۱۰ سال به این معنی نیست که هیچ کامپیوتر کلاسیکی نمیتواند این آزمایش را در مدت کوتاهتری انجام دهد. این زمان بر اساس یک روش مشخص برای شبیهسازی و بازتولید آزمایش کوانتومی محاسبه شده است و محدودیت بنیادی سرعت کامپیوترهای کلاسیک محسوب نمیشود.
تجربه رقابت میان محاسبات کلاسیک و کوانتومی نیز این موضوع را نشان داده است. پژوهشگران حوزه محاسبات کلاسیک بارها الگوریتمها و میانبرهایی پیدا کردهاند که هزینه شبیهسازی آزمایشهای کوانتومی را کاهش میدهند. توسعه الگوریتمهای کارآمدتر میتواند میزان محاسبات لازم را برای بازتولید نتیجه جدید نیز به میزان چشمگیری کاهش دهد.
سدراکیان و همکاران او این محدودیت را در پژوهش خود پذیرفتهاند. آنها ادعا نمیکنند که کامپیوترهای کلاسیک هرگز نمیتوانند عملکرد Nighthawk r2 را تکرار کنند. ادعای پژوهشگران این است که پردازنده کوانتومی بر اساس معیار و روش محاسباتی استفادهشده در این آزمایش، فاصله قابل توجهی با سیستمهای کلاسیک ایجاد کرده است.
ویژگی مهم دیگر آزمایش کامپیوتر کوانتومی IBM، امکان تکرار آن توسط دیگر کاربران است. پژوهشگران تأکید کردهاند که آزمایش روی یک واحد پردازش کوانتومی عمومی انجام شده است که از طریق فضای ابری در دسترس قرار دارد. آنها از زیرساخت استاندارد اجرای ابری استفاده کردند و به تنظیمات اختصاصی آزمایشگاهی متکی نبودند.
این گروه مدارهای مورد استفاده، نمونههای تولیدشده و کدهای تحلیل نتایج را نیز منتشر کرده است. بنابراین پژوهشگران دیگر میتوانند آزمایش را بررسی و نتایج آن را آزمایش کنند.
این دستاورد مرحله تازهای از رقابت میان کامپیوترهای کوانتومی و کلاسیک را نشان میدهد. پیشرفت یک طرف میتواند طرف دیگر را به توسعه الگوریتمها و روشهای محاسباتی کارآمدتر سوق دهد. همچنین نتیجه جدید نشان میدهد که آزمایشهای مرتبط با برتری کوانتومی دیگر لزوما به سختافزارهای اختصاصی آزمایشگاهی محدود نیستند و میتوان آنها را روی پردازندههای کوانتومی تجاری در دسترس از طریق فضای ابری نیز اجرا کرد.
با وجود این، نتیجه پژوهش هنوز نهایی نیست. مقاله مربوط به آزمایش Nighthawk r2 در قالب نسخه پیشانتشار در arXiv منتشر شده و هنوز داوری علمی نشده است. بررسی مستقل نتایج و تلاش برای توسعه روشهای کلاسیک سریعتر میتواند در ادامه مشخص کند که فاصله ثبتشده میان پردازنده کوانتومی IBM و ابرکامپیوترهای کلاسیک تا چه اندازه حفظ خواهد شد.
