لقد نجحت أجهزة الكمبيوتر الكمومية للتو في اختبار لا تستطيع أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية القيام به بشكل أساسي

أجهزة الكمبيوتر الكمومية من المفترض أن تتمتع بقدرات تتجاوز بكثير القدرات التقليدية، ولكن التحقق من أنها تمتلك هذه القدرات بالفعل أمر صعب إلى حد مدهش ــ لأن التحقق من نتائجها قد يتطلب في حد ذاته حسابات تصبح صعبة للغاية بالنسبة للآلات الكلاسيكية.

هذا هو مشكلة التحقق الكمي، وقد وجدت تجربة جديدة حلاً مبتكرًا – لعبة تضع كل نوع من الأنظمة على المحك.

الصيد؟ هناك حد مثبت رياضيًا لمدى جودة أداء أي كمبيوتر كلاسيكي.

وعندما قام فريق بقيادة عالمي الكمبيوتر مارسيلو بينيديتي وهاري بورمان من شركة كوانتينوم في المملكة المتحدة بتشغيله على نظام كمومي محصور، تجاوز الحد الأقصى بسهولة.

ومع ازدياد صعوبة الاختبار، اتسعت الهوة بين أداء النظام الكمي وأفضل أداء كلاسيكي ممكن، وفقًا لبحثهم المنشور في مجلة اتصالات الطبيعة.

تستمد أجهزة الكمبيوتر الكمومية قدراتها غير العادية من الفيزياء الغريبة التي تحكم الجسيمات على أصغر المقاييس.

حيث تمثل البتات في الكمبيوتر الكلاسيكي المعلومات كواحدة من حالتين – 1 أو 0 – يمكن للبتات الكمومية، أو الكيوبتات، أن تتواجد في تراكب من كليهما حتى يتم قياسها. يؤدي القياس إلى انهيار هذا التراكب، مما يؤدي إلى نتيجة واحدة محددة فقط.

يمكن أن تكون الطبيعة الرياضية لهذا التراكب قوية بشكل لا يصدق من وجهة النظر الحسابية، مما يسمح بـ بقدر جهاز الكمبيوتر لحل بعض المشكلات التي تعتبر صعبة للغاية بالنسبة للكمبيوتر التقليدي.

لقد كانت القوة الحسابية للتراكب هي التي شرع الباحثون في اختبارها.

لذلك، ابتكروا لعبة تعتمد على مهمة حسابية تسمى تكملة أخذ العينات.

وإليك كيف يعمل. تخيل أن جميع الإجابات المحتملة لمسألة ما مقسمة سرًا إلى مجموعتين متساويتين، A وB. يتم إعطاؤك إجابة واحدة تم اختيارها عشوائيًا من المجموعة A، ويتم تحديك لإرجاع إجابة من المجموعة B.

بالنسبة للكمبيوتر الكلاسيكي، هذا ليس كافيًا للاستمرار. فهو يعرف أن الإجابة التي أُعطيت له تنتمي إلى A، لذا فهو يعرف أنه لن يعيد ذلك الجواب. لكنها لا تعرف أي الإجابات المحتملة الأخرى تنتمي إلى “أ” وأيها تنتمي إلى “ب”.

كلما زادت الإجابات المحتملة، أصبحت تلك المعلومة الواحدة أقل فائدة. في الواقع، تمكن الباحثون من إثبات مدى جودة أداء أفضل استراتيجية كلاسيكية ممكنة من الناحية الرياضية.

ومع ذلك، يمكن للحاسوب الكمي أن يلعب وفق قواعد مختلفة تمامًا.

نظرًا لأن الكيوبت المتراكب يمكن أن يكون كلا حالتيه في وقت واحد حتى يتم قياسه، يمكن للكمبيوتر الكمي أن يستقبل حالة تحتوي على المجموعة A بأكملها في التراكب، بدلاً من تقليل الإجابة على عينة واحدة.

والأهم من ذلك، أنها تستطيع التلاعب بهذا التراكب قبل قياسه. باستخدام ما يسميه الباحثون دائرة “المقايضة”، يقوم الكمبيوتر الكمي بتحويل الحالة التي تمثل المجموعة A إلى حالة تمثل مكملتها، المجموعة B.

وعندها فقط تقوم بقياس الحالة، وتنتج إجابة من المجموعة ب. وفي نظام كمي مثالي وخالي من الأخطاء، تفوز هذه الاستراتيجية في كل مرة.

بالنسبة للكمبيوتر الكلاسيكي، تكون المهمة أكثر صعوبة بشكل كبير. فهو يحتاج إلى قياس الحالة الواردة للحصول على إجابة واحدة مختارة عشوائيًا من المجموعة أ، ثم محاولة إرجاع إجابة من المجموعة ب.

وهذا يخلق فجوة كبيرة بين ما يستطيع هذين النوعين من الأنظمة القيام به.

وفي حين يفوز النظام الكمي المثالي في كل جولة، فإن الميزة المتاحة حتى لأفضل استراتيجية كلاسيكية ممكنة تتقلص بشكل كبير مع زيادة عدد البتات – وبالتالي عدد الإجابات المحتملة -.

وهذا ليس فقط لأن الباحثين لم يعثروا على خوارزمية كلاسيكية ذكية بما فيه الكفاية. وقد تم إثبات هذا الحد رياضيًا، دون الاعتماد على افتراضات حول مدى صعوبة الحساب.

وقد أعطى هذا للفريق شيئًا ذا قيمة غير عادية – وهو اختبار يسهل التحقق من إجاباته، ولكن أداءه الكلاسيكي له سقف صعب. فأخذوها إلى حاسوب كمي حقيقي.

أجرى الباحثون لعبة أخذ العينات التكميلية على أجهزة الكمبيوتر الكمومية ذات الأيونات المحاصرة H2 من Quantinuum، باستخدام آلاف الدوائر المختلفة وتوسيع نطاق تجاربهم حتى 55 كيوبت.

لم تكن الآلات الحقيقية، بالطبع، مثالية مثل النظرية. ومع تزايد حجم التجارب وتطلبها المزيد من العمليات الكمية، أدت ضوضاء الأجهزة إلى تدهور أدائها بشكل متزايد.

لكن النظام الكمي ما زال يتجاوز الحد الكلاسيكي باستمرار.

في كل تجربة، سجل الكمبيوتر الكمي نتائج جيدة لدرجة أن نتائجه كانت غير متسقة إحصائيًا مع ما يمكن أن تحققه أي استراتيجية كلاسيكية.

والأفضل من ذلك، أنه مع تزايد صعوبة المشكلة، اتسعت الفجوة. زادت الميزة التي تمت ملاحظتها تجريبيًا بشكل كبير مع طول سلسلة البتات، وتتبعت عن كثب، إن لم تكن متطابقة تمامًا، السلوك المتوقع من الإستراتيجية الكمومية المثالية.

على أكبر نطاق تم اختباره – سلاسل 37 بت – لم يحقق النظام الأداء المثالي النظري تمامًا، لكن النتائج ما زالت تظهر “انتهاكًا كبيرًا للكلاسيكية”. لاحظ الباحثون.

التجربة لديها بعض القيود.

تم تنفيذ “الحكم” الذي يختار الإجابة الأولية و”اللاعب” الذي يحللها ويعطي المكملات على نفس الكمبيوتر الكمي، مع استخدام النقل الآني الكمي لمحاكاة قناة الاتصال بينهما.

متعلق ب: تم تحقيق النقل الكمي عبر الإنترنت لأول مرة

ومن شأن اختبار مستقبلي أكثر صرامة أن يضعها على أجهزة كمبيوتر كمومية منفصلة متصلة بقناة اتصال كمومية حقيقية.

لكن هذه عقبة يمكن التغلب عليها في الجولة التالية من التجارب.

في الوقت الحالي، توفر النتيجة إثباتًا للمفهوم، وطريقة جديدة لاختبار الأجهزة الكمومية التي تتسم بالكفاءة في التحقق منها، وقابلة للتطوير، والأهم من ذلك، أنها لا تعتمد على افتراضات غير مثبتة حول ما تستطيع أجهزة الكمبيوتر التقليدية فعله وما لا تستطيع فعله.

“يُظهر اختبارنا،” كما كتب الباحثون، قوة التراكب الكمومي بطريقة غافلة عن ذلك. تشابك وغير محلية.”

وقد تم نشر النتائج في اتصالات الطبيعة.