کامپیوتر کوانتومی یونی

اولین رو در رویی دو کامپیوتر کوانتومی

در مطالعه‌ای جدید دو کامپیوتر کوانتومی که با فناوری‌های کاملا متفاوت ساخته شده بودند سر به سر در تمرین الگوریتم کرانچینگ شرکت کردند. یکی از کامپیوترها مطمئن‌تر و دیگری پرسرعت‌تر بود. اما چیزی که مهم است این است که برای اولین بار دو کامپیوتر کوانتومی متفاوت همزمان در یک زمین بازی مقایسه شده‌اند.

«برای مدت‌های طولانی، این دستگاه‌ها به قدری نابالغ بودند که شما واقعا نمی‌توانستید دو گیجت ۵ کیوبیتی را کنار هم بگذارید و این نوع مقایسه را انجام دهید.» این گفته سیمون بنیامین فیزیکدان دانشگاه آکسفورد انگلستان است. به گفته وی «این مسابقه نشانه‌ای از بلوغ این فناوری است.»

یکی از کامپیوترها که از ۵ یون ایتربیوم ساخته شده بود در تله الکترومغناطیسی قرار گرفته و با لیزر دستکاری شد. این کامپیوتر متعلق به آزمایشگاهی بود که چرس مونورو فیزیکدان دانشگاه میشیگان و از بنیانگذاران شرکت یون‌کیو (ionQ) آن را مدیریت می‌کرد. دیگر کامپیوتر متعلق به آی.بی.ام (IBM) بود. در قلب آن ۵ حلقه کوچک از فلزهای ابررسانا بود که توسط امواج مایکرویو مدیریت می‌شدند. این تنها کامپیوتر کوانتومی در دنیا است که می‌تواند به صورت آنلاین توسط کاربران برنامه‌ریزی شود. واقعیتی که اجازه می‌دهد تیم مونورو این آزمایش را طراحی کند.

نه تنها هیچ دستگاه دیگری بیش از آن قدرت محاسباتی ندارد بلکه آنها اصولی را نشان دادند که تعدادی اندیشه‌ها سرانجام کامپیوترهای کوانتومی را یک فناوری عمده می‌سازد. برخلاف بیت‌های کامپیوترهای سنتی که می‌تواند تنها حالات ۰ و ۱ را داشته باشد کامپیوترهای کوانتومی روی بیت‌های کوانتوم یا کیوبیت‌ها تکیه دارند که می‌تواند ترکیب یا «سوپر ترکیبی» از ۰ و ۱ باشد.
در کامپیوتر مونورو هر کیوبیت یونی است که در آن الکترون می‌تواند در یک سطحی از انرژی باشد که دلالت بر ۰ و در سطح دیگری از انرژی باشد که دلالت بر ۱ باشد و یا همزمان در هر دو سطح باشد.
در مدار سوپرهدایت آی.بی.ام مدارهای الکتریکی می‌توانند با یکی از دو قدرت‌های متفاوت و یا همزمان با هر دو به گردش در بیایند. همچنین ممکن است به حالات سوپر ترکیبی از چند کیوبیت نیز بپیوندند. این‌ها موجب ایجاد کامپیوتر کوانتومی‌ای می‌شود که با اضافه شدن هر بیت، قدرت محاسباتیش به صورت نمایی رشد می‌کند.

کامپیوتر کوانتومی آی بی ام
کامپیوتر کوانتومی آی.بی.ام که از ۵ حلقه ابررسانا تشکیل شده بود سریعتر اما کم اطمینان‌تر از کامپیوتر یونی بود.

اما حالات کیوبیت‌ها شکننده نیز هستند: انحرافات کوچکی از جهان بیرون به راحتی می‌تواند سوپرترکیب‌ها را روی ۰ یا ۱ فرو بریزد. بنابراین کامپیوترها بایستی با رویه‌های محاسباتی به دقت سوپر ترکیب‌ها را مدیریت کنند. در این آزمایش هر دو کامپیوتر ۲ کیوبیت سرسپردگی گیت “gate fidelities”داشتند. سرسپردگی گیت احتمال موفقیت کامل شدن یک عمل منطقی دو کیوبیتی واحد است. در این آزمایش مقدار این احتمال موفقیت ۹۷ درصد بود. برای انجام هر عملی در دنیای واقعی به مقدار کمتر این احتمال نیاز است.

برای آزمون عملکردشان تیم مونورو مجموعه الگوریتم‌های استانداردی را روی هر دو دستگاه اجرا و خروجی‌ها را مقایسه کرد. کامپیوتر یونی در بیشتر موارد جواب درست را برمی‌گرداند. در یک آزمون خاص تفاوت بین این دو کامپیوتر واقعا چشمگیر بود، کامپیوتر یونی نرخ موفقیت ۷۷.۱ درصد به دست آورد در حالی که این نرخ در کامپیوتر ابررسانا تنا ۳۵.۱ درصد بود. این نتایج هفته گذشته در arXiv منتشر شد.

مونورو می‌گوید کیوبیت‌ها در این تفاوت نقش نداشتند بلکه دلیل اصلی آن چگونگی سیم‌کشی‌ها بود. هر یک از یون‌ها می‌توانند با دیگر یون‌ها تعامل برقرار کنند و تعداد عملیات مورد نیاز برای کارها و احتمال فرو ریختن سوپر ترکیب‌ها را کاهش دهند.
در مقابل، در کامپیوتر آی.بی.ام چهار حلقه ابررسانا بود که تنها از یک مرکز میزبانی می‌شدند که موجب می‌شد برای تبادل اطلاعات میان حلقه‌ها عملیات اضافی انجام شود. چون هیچ عملی ۱۰۰٪ مطمئن نیست با افزایش تعداد عملیات نرخ کلی موفقیت کاهش می‌یابد.

جری چو فیزیکدانی که تیم رایانشی آی.بی.ام را رهبری می‌کرد مهم بودن اتصال‌ها را تایید می‌کند. اما او انتظار دارد که حالات سوپر ترکیب‌های کیوبیت‌ها در طولانی مدت منسجم‌تر باشند. یعنی اینکه اتصال کمتر کامپیوتر در زمان اجرا نیازی به کاهش قابلیت اطمینان کلی آن ندارد. «وقتی شما به اندازه کافی انسجام داشته باشید مهم نیست چقدر عملیات کلی الگوریتم طول می‌کشد». او همچنین بیان کرد که اکنون کامپیوتر آنلاین آی.بی.ام ویژگی‌های اتصالات کیوبیتی بیشتری از زمان شرکت در آزمون آی.بی ام دارد.
همچنین هر دو آزمایشگاه در حال کار روی ساخت دستگاه‌های مطمئن‌تر با کیوبیت های بیشتری هستند.

به گفته بنیامین، در واقع این مقایسه اولیه‌ای بین دو رهیافت رایانش کوانتومی بوده است. هر دو دستگاه هم دستگاه ساخته شده با یون و هم با حلقه‌های ابررسانا نیاز به هزاران کیوبیت و شبکه اتصالات داخلی نیاز به پیچیدگی‌های بیشتری دارد. او همچنین اشاره کرد که کامپیوتر یونی قابل اطمینان‌تر و کامپیوتر ابررسانا سریعتر است. دستگاه آی.بی.ام عملیات دو کیوبیتی را در ۲۵۰ تا ۴۵۰ نانوثانیه کامل می‌کرد که ۱۰۰۰ بار سریعتر از کامپیوتر یونی است.

این مطالعه خوراک تفکری برای طراحان نرم‌افزار کوانتوم مانند کریستا اسوُر پژوهشگر مایکروسافت فراهم می‌آورد. به گفته او درک اینکه چگونه معماری خاص کامپیوترهای کوانتومی روی کارآیی تاثیرگذار است برای بهینه‌سازی الگوریتم‌های آینده ضروری است.

دیدگاه‌تان را بنویسید: