طرح معايير جديدة لتسجيل أداء الكمبيوتر الكمومي

بالنسبة إلى أجهزة الحاسوب التقليدية ، يمكن أن تمثل المعايير طقوسًا للانتقال من نوع ما إلى عصر جديد من الحوسبة. نظرًا لأن الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي أصبحا أكثر انتشارًا في كل مكان ، على سبيل المثال ، تساعد معايير التعلم العميق و الذكاء الاصطناعي الجميع على فهم وقياس مدى جودة أداء شبكة عصبية واحدة مقارنة بالأنظمة الأخرى والبنى المرجعية. يقول الباحثون إنه ليس من المستغرب، إذ أن يساعد المجال الناشئ لقياس أداء الحاسوب الكمومي في اختبار وتحسين الجيل القادم من المعالجات الكمومية.

يمكن للحاسوب الكمومي ذو التعقيد الكبير بما فيه الكفاية – على سبيل المثال ، عدد كافٍ من المكونات المعروفة باسم البتات الكمومية أو “الكيوبتات” – أن يحقق نظريًا ميزة كمية حيث يمكنه العثور على إجابات لمشاكل لا يستطيع أي حاسوب تقليدي حلها على الإطلاق. من حيث المبدأ ، يمكن للحاسوب الكمومي الذي يحتوي على 300 كيوبت مكرس بالكامل للحوسبة (وليس تصحيح الخطأ) يمكن إجراء المزيد من العمليات الحسابية في لحظة أكثر من وجود ذرات في الكون المرئي.

ومع ذلك ، لاحظ الباحثون في مختبرات سانديا الوطنية أنه من الصعب حاليًا التنبؤ بدقة بقدرة المعالج الكمي – أي مجموعة البرامج الكمومية التي يمكن تشغيلها بنجاح. وذلك لأن برامج قياس الأداء الحالية المستخدمة لتحليل هذه الأجهزة تتناسب بشكل سيئ مع أجهزة الحاسوب الكمومية التي تحتوي على العديد من وحدات الكيوبت. كما يقولون إن معايير القياس الكمومية الحالية ليست مرنة بما يكفي لتقديم نظرة مفصلة عن قدرات المعالج في العديد من التطبيقات المحتملة المختلفة.

يقول تيم بروكتور ، مؤلف الدراسة الرئيسي ، وهو فيزيائي في مختبر الأداء الكمي لمختبرات سانديا الوطنية في البوكيرك ، نيو مكسيكو. “من الصعب جدًا قياس أداء أجهزة الحاسوب الكمومية الحديثة ، لأن معظم المعايير تعتمد على مقارنة نتائج الحساب الكمي مع المخرجات الصحيحة ، المحسوبة على جهاز كمبيوتر تقليدي”
“تصبح هذه الحسابات التقليدية غير قابلة للتنفيذ تمامًا مع زيادة عدد الكيوبتات ، وهو ما كان محوريًا في عرض Google الشهير” التفوق الكمي “.

توضح المعايير الجديدة أداء الحاسوب الكمومي في مهام مختلفة – مقارنة بالمعايير الحالية التي تولد رقمًا واحدًا فقط.

في دراسة جديدة ، طور بروكتور وزملاؤه تقنية جديدة لإنشاء معايير لأجهزة الحاسوب الكمومية يسمونها انعكاس الدائرة. تحول هذه الطريقة أي برنامج كمي إلى مجموعة من البرامج المعيارية وثيقة الصلة والتي يطلق عليها اسم “الدوائر المرآة” ، والتي يقوم كل منها بإجراء مجموعة من العمليات الحسابية ثم عكسها.

يصعب تنفيذ كل دوائر المرآة على الأقل بنفس صعوبة تنفيذ البرنامج الكمي الذي تستند إليه. ومع ذلك ، على عكس العديد من البرامج الكمومية ، فإن الدوائر المرآة لها نتائج بسيطة وسهلة التنبؤ. على هذا النحو ، توفر الدوائر المرآة وسيلة للتحقق من قدرات المعالج الكمومي باستخدام معايير مماثلة للبرامج الكمومية التي قد تشغلها أجهزة الحاسوب الكمومية بالفعل ، كما يقول الباحثون.

يقول بروكتور: “أجهزة الحاسوب الكمومية معقدة ، كما أن قياس أدائها معقد أيضًا. ويمكن استخدام أساليبنا لتصميم معايير لدراسة جميع أنواع جوانب أداء الحاسوب الكمومي”. “في النهاية ، نعتقد أن المعايير التي تم إنشاؤها باستخدام طريقتنا يمكن استخدامها لتصميم مجموعة من الاختبارات الشاملة لأجهزة الكمبيوتر الكمومية. وهذا سيجعل من الممكن مقارنة أجهزة الحاسوب الكمومية بدقة ، ومعرفة الأجهزة الأفضل لأي مهمة.”

باستخدام انعكاس الدائرة ، صمم العلماء أولاً عائلتين من البرامج المعيارية – واحدة تدير المعالجات الكمومية من خلال تسلسل عشوائي للعمليات ، والأخرى بإجراءات منظمة للغاية. قاموا بعد ذلك بتنفيذ هذه المعايير على 12 جهاز حاسوب كمومي متاح للجميع من IBM و  Rigetti Computing  لتحديد قدراتهم.

يعتمد القياس الكمي حاليًا في الغالب على البرامج العشوائية. ومع ذلك ، يلاحظ بروكتور أن مثل هذه المعايير العشوائية قد لا تخدم مثل اختبارات البرامج الأكثر تنظيماً التي تستخدمها أجهزة الحاسوب الكمومية لتنفيذ خوارزميات كمومية.

يتم تخصيص معيار منافس ، دورة قياس الأداء ، لكل خوارزمية – ويقيس معدلات الخطأ لمجموعات من البوابات الكمومية.

في الواقع ، اكتشف بروكتور وزملاؤه أن مدى نجاح أجهزة الحاسوب الكمومية في تنفيذ دوائر المرايا العشوائية لم يتنبأ بمدى نجاحها مع دوائر المرايا الأكثر تنظيمًا. اعتمد أداء بعض المعالجات الكمومية بشكل كبير على مستوى بنية دائرة المرآة ، بينما لم يُظهر البعض الآخر أي علامة تقريبًا على مثل هذا الارتباط.

يقول بروكتور: “الميزة الرائعة لمعاييرنا هي أنها مصممة لتوفير الكثير من التفاصيل – فهي تخبرنا عن أداء الحاسوب الكمومي في مهام مختلفة”. “هذا يتناقض مع معظم الأساليب الحالية التي تصف ، حسب التصميم ، أداء الحاسوب الكمومي برقم واحد.”

أحد العيوب المحتملة في المعايير التي تستخدم تقنية الانعكاس المستخدمة في الدوائر المرآة هو كيف قد تفشل في اكتشاف العديد من الأخطاء الرئيسية. يقول بروكتور: “نحن نضمن أن تكون معاييرنا حساسة لجميع الأخطاء عن طريق إدخال عنصر عشوائي بين الدوائر الأمامية والخلفية ، وهما الجزءان اللذان يشكلان الجزء الأكبر من دائرة المرآة”. “في الورقة ، نثبت أن معاييرنا حساسة لجميع الأخطاء.” قام العلماء بتفصيل النتائج التي توصلوا إليها في 20 ديسمبر في مجلة Nature Physics.

يواجه انعكاس الدائرة عددًا من المنافسين في مجال قياس الأداء الكمي. على سبيل المثال ، لاحظ الفيزيائي النظري جوزيف إيمرسون في جامعة واترلو في كندا أن الطريقة التي طورها هو وزملاؤه والمعروفة باسم قياس الأداء الدوري أثبتت أنها استراتيجية قياس مرجعية فعالة على أجهزة الحاسوب الكمومية في اختبار الكم المتقدم في مختبر لورانس بيركلي الوطني. .

يقول إيمرسون ، رئيس قسم الكم استراتيجية في Keysight Technologies: “تبين أن قياس أداء الدورة هو الأفضل في سياق فهم الأداء الخاص بالتطبيق – إنها استراتيجية قابلة للتطوير لقياس أداء الأجهزة الكمية المصممة لكل خوارزمية محددة أو تطبيق مهم”.

يلاحظ بروكتور أنه في حين أن قياس الدورة المعيارية يقيس معدلات الخطأ لمجموعات من البوابات الكمومية – نسخة الحوسبة الكمومية للبوابات المنطقية التي تستخدمها أجهزة الحاسوب التقليدية لأداء العمليات الحسابية – فإن انعكاس الدائرة يقيس أداء الحاسوب الكمي على عمليات حسابية كاملة. على هذا النحو ، يقترح أنها أدوات مختلفة اختلافًا جوهريًا.

يمكن نظريًا دمج انعكاس الدائرة مع العديد من المعايير الأخرى ، مثل الحجم الكمي ، لإنشاء إصدارات قابلة للتطوير من هذه المقاييس ، “والتي نعتقد أنها ستكون مثيرة حقًا للمجتمع” ، كما يقول بروكتور. “نحن بالتأكيد لم نفكر في كل الأشياء المثيرة للاهتمام التي يمكنك القيام بها باستخدام أسلوبنا ، ونحن متحمسون لمعرفة ما سيأتي به مجتمع البحث.”

المصدر:

IEEE Spectrum

New Standards Rolling Out for Clocking Quantum-Computer Performance (ieee.org)

الترجمة:

فراس مصباح

التدقيق:

رامي حريب