تتفوق أجهزة الكمبيوتر Quantum بشكل كبير على أجهزة الكمبيوتر الفائقة عندما يتعلق الأمر بكفاءة الطاقة

تتفوق أجهزة الكمبيوتر Quantum بشكل كبير على أجهزة الكمبيوتر الفائقة عندما يتعلق الأمر بكفاءة الطاقة

أنشأ الباحثون في الولايات المتحدة معيارًا جديدًا قائمًا على الطاقة للميزة الكمية واستخدموه لإظهار أن أجهزة الكمبيوتر  Quantum متوسطة الحجم (NISQ) تستخدم عدة أوامر بحجم أقل من الكمبيوتر العملاق الأقوى في العالم عند القيام بمهمة محددة.

عندما تصبح أجهزة كمبيوتر  Quantum أكبر وأكثر موثوقية ، يصبح السؤال حول ما إذا كان كمبيوتر  Quantum قادرًا على إجراء عمليات حسابية بعيدًا عن متناول حتى أقوى حاسوب عمومي تقليدي أقوى. وقد أطلق على هذه القدرة اسم "الميزة الكمية" أو "التفوق الكمي" ، وهي تشير إلى النقطة التي تنتقل فيها حواسيب  Quantum من كونها فضولًا علميًا إلى أجهزة مفيدة.

ومع ذلك ، فإن قياس الميزة الكمية صعب كما يتضح من النقاش الذي تلا ذلك بعد أن ادعت Google ميزة جهاز Sycamore NISQ في سبتمبر 2019. قال علماء Google أن Sycamore يمكن أن يحل مشكلة معينة في 200 ثانية فقط ، بينما يقدر أن الكمبيوتر العملاق القوي يستغرق 10000 سنة ضخمة لأداء نفس المهمة. ولكن بعد شهر واحد ، جادل الفيزيائيون في شركة IBM بأن هذا كان تقديرًا مبالغًا فيه وقد يتمكن الكمبيوتر العملاق من إكمال المهمة في 2.5 يومًا فقط - وهو ما ينفي بشكل أساسي ادعاء الميزة.

البتات الهشة (Fragile qubits)

تظهر أجهزة كمبيوتر Quantum وعدًا هائلاً لأنها تستطيع - على الأقل من حيث المبدأ - استخدام قوانين ميكانيكا الكم لإجراء بعض الحسابات بشكل أسرع بكثير من حتى أجهزة الكمبيوتر التقليدية الأكثر قوة. يمكن إجراء حسابات مفيدة باستخدام عدد صغير نسبيًا من البتات الكمومية (المئات) أو ربما الآلاف - ولكن إنشاء كمبيوتر كمومي يحتوي على أكثر من بضع عشرات بتات مهمة صعبة لأن الحالات الكمية المستخدمة لإنشاء البتات الكمية هشة وقصيرة عاش ويصعب السيطرة عليه. تسمى أجهزة مثل Sycamore من Google NISQs لأنها تحتوي على عدد متوسط ​​من البتات (Sycamore لديها 54) وصاخبة من حيث التحكم غير الكامل للبتة.

هناك تحدٍ آخر يواجه صناعة الكم هو أنه لا يوجد اتفاق على أفضل تقنية كوبيت ، حيث تختار بعض الشركات الموصلات فائقة التوصيل بينما تعمل شركات أخرى على أجهزة الكمبيوتر المحتبسة. لا تزال هناك تقنيات أخرى قيد التطوير أيضًا. ونتيجة لذلك ، لا تزال الحواسيب الكمومية العملية التي تحل مشكلات العالم الحقيقي على بعد سنوات قليلة - ويعد وضع المعايير أمرًا ضروريًا.

في هذه الأثناء ، يحاول الباحثون قياس جهد التطوير من خلال العثور على المشكلات التي يمكن أن تؤديها أجهزة الكمبيوتر الكمومية الوليدة اليوم بكفاءة أكبر من أجهزة الكمبيوتر التقليدية الأكثر قوة. إحدى المهام التي تفسح المجال لجهاز الكمبيوتر الكمومي بوضوح هي حساب ناتج "دوائر الكم العشوائية" (RQC). تم استخدام هذا المعيار من قبل جوجل لجعل مطالبة عام 2019 بميزة الكم. يمكن أيضًا حل المشكلة عن طريق تشغيل برنامج "محاكاة الكم" على جهاز كمبيوتر فائق تقليدي ، والسؤال الحاسم هو السؤال عما إذا كان الكمبيوتر الكمومي يحل المشكلة بشكل أكثر كفاءة من أقوى جهاز محاكاة الكم.

تحديد الكفاءة

إحدى النقاط الشائكة هي كيفية تحديد الكفاءة ، وعادة ما ينظر الباحثون في الوقت المستغرق لحل المشكلة. في هذه الدراسة الأخيرة ، يجادل سالفاتور ماندرا وزملاؤه في مركز أبحاث أميس التابع لوكالة ناسا في كاليفورنيا وجوجل ومختبر أوك ريدج الوطني بأن التفكير في الوقت وحده أمر صعب. يشرح ماندرا ، "إن المشكلة التي ستأخذك ساعة واحدة على معالج أحادي النواة ستأخذك 30 دقيقة على معالج ثنائي النواة أو 15 دقيقة على معالج رباعي النواة".

وبدلاً من ذلك ، قام ماندرا وزملاؤه بحساب الطاقة المطلوبة من قبل كل من NISQ وأجهزة الكمبيوتر العملاقة التقليدية لحل مشكلة RQC. لقد صمموا برنامجًا يسمى qFlex ، يعتقدون أنه أكثر أجهزة محاكاة الكم كفاءة. يوضح هذا ماندرا ، من خلال حقيقة أن كفاءة المحاكاة تكاد تكون ثابتة بغض النظر عن تفاصيل المشكلة التي يتم تطبيقها عليها.

قام الفريق بتطبيق qFlex على الكمبيوتر الفائق Electra في Ames وعلى الكمبيوتر الخارق Summit في Oak Ridge - Summit هي أقوى كمبيوتر فائق في العالم. قاموا بحساب الطاقة التي أنفقها كل من الحواسيب الفائقة في إجراء الحساب وقارنوها بالطاقة المستخدمة من قبل NISQ. وجد الباحثون أن تنفيذ qFlex يتطلب 97 ميجاوات في الساعة للتشغيل على Electra و 21 ميجاوات في الساعة في القمة ، في حين يمكن حل المشكلة بواسطة NISQ باستخدام 4.2 × 10−4 ميجاوات فقط. لوضع هذه الأرقام في منظورها الصحيح ، تستخدم الأسرة الأمريكية المتوسطة 11 ميجاوات في الساعة من الطاقة الكهربائية سنويًا.

يقول دانييل جوتسمان من معهد Perimeter للفيزياء النظرية في واترلو بكندا ، الذي لم يكن مشاركًا في ابحاث. "إن التركيز المحدد على التفوق الكمي هو لحظة من الزمن من المحتمل أن تمتد لبضع سنوات ، ولكن بعد ذلك من المحتمل أن يكون لدينا أجهزة كمبيوتر كمومية أفضل من أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية ، وفكرة الخوارزميات الكلاسيكية لمحاكاة الكم ستصبح أجهزة الكمبيوتر أقل وأقل قيمة ".