جوجل تقيس “الأصداء الكمومية” على شريحة الكمبيوتر الكمومية Willow

تستكشف Google الفوضى الكمومية على أقوى شريحة كمبيوتر كمومية لديها

بقلم دان جاريستو حرره لي بيلينغز

لا تزال أجهزة الكمبيوتر الكمومية في مهدها. يقتصر عددها حاليًا على 100 أو نحو ذلك من الكيوبتات المعرضة للخطأ، وهي المعادل الكمي للبتات الكلاسيكية، وهي بعيدة كل البعد عن آلات الحساب العليا القادرة على محاكاة التفاعلات الكيميائية تمامًا وأكثر من ذلك. يعمل منظرو الكم والمجربون ضمن هذه القيود للعثور على مهام مجدية لأجهزتهم لإظهار ميزة على أداء أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية.

لقد أمضى الباحثون في جوجل سنوات في تطوير إحدى هذه المهام: قياس كيفية اختلاط المعلومات الكمومية مع مرور الوقت. يمكن أن تصبح المعلومات الكمومية – مثل حالة الكيوبت – منتشرة ومضطربة، مثلما تصبح الكلمة الصاخبة غير واضحة أثناء انتقالها لمسافات طويلة.

يقول شينج لونج شو، وهو متخصص في نظرية المعلومات الكمومية بجامعة تكساس إيه آند إم، والذي لم يشارك في بحث جوجل: “تقوم الأنظمة المختلفة بخلط الأشياء بطرق مختلفة”. “إن كيفية معالجة المعلومات تخبرنا عن طبيعة النظام.” يمكن أن توفر البصيرة المستمدة من التخليط تفاصيل من شأنها أن تسمح لتقنيي الكم بتحقيق محاكاة جزيئية دقيقة باستخدام أجهزتهم.

حول دعم الصحافة العلمية

إذا كنت تستمتع بهذا المقال، ففكر في دعم صحافتنا الحائزة على جوائز من خلال الاشتراك. من خلال شراء اشتراك، فإنك تساعد على ضمان مستقبل القصص المؤثرة حول الاكتشافات والأفكار التي تشكل عالمنا اليوم.

في ورقة بحثية ما قبل الطباعة، نُشرت على الإنترنت في شهر يونيو، أبلغ فريق Google عن القياس الأكثر تعمقًا لخلط المعلومات حتى الآن، والذي تم تحقيقه باستخدام شريحة Willow ذات 105 كيوبت. لقد قاموا بخلط المعلومات بشكل متكرر، وإجراء تعديل بسيط وعكس العملية، مما أدى إلى فك تشفير المعلومات. (أطلقت جوجل على البروتوكول اسم “أصداء الكم”، في إشارة إلى صدى عملية فك التشفير المتكررة.) كان القياس الذي أجراه الفريق معقدًا للغاية، في الواقع، لدرجة أن استخدام الخوارزميات الحالية للحاسوب العملاق الكلاسيكي سيكون أبطأ بكثير من ويلو. ونشرت النتائج اليوم في المجلة طبيعة.

ال طبيعة كان حكام الورقة الثلاثة إيجابيين بشكل عام بشأن الإنجاز الفني في تقارير مراجعة النظراء مجهولة المصدر التي شاركتها Google معهم العلمية الأمريكية. أشاد أحد هؤلاء المراجعين بالعمل ووصفه بأنه “مثير للإعجاب حقًا” لأنه “يتمكن من الوصول تجريبيًا إلى تأثيرات التداخل الكمي الدقيقة هذه”. لكن المحكمين انقسموا حول الدرجة التي أظهرت بها جوجل الميزة الكمية الحقيقية.

لقد تم تجاوز البراهين السابقة للميزة الكمومية مع تحسن الخوارزميات الكلاسيكية، لذلك يتوخى المتفرجون الحذر. يقول شو إن الإنجاز الذي حققه فريق Google “يبدو أنه يفوق ما يمكننا فعله الآن باستخدام الأساليب الكلاسيكية”. “إنها مساهمة مثيرة للاهتمام للغاية في هذا المجال.”

تطفو مثل Qubit

الفوضى شائعة في العالم الكلاسيكي لأن الأنظمة الكلاسيكية يمكن أن تكون حساسة للغاية للتغيرات الصغيرة في ظروفها الأولية. في المثال المجازي التقليدي، ترفرف الفراشة بجناحيها في البرازيل، ويؤدي التسلسل المتتالي للاضطرابات الجوية إلى إعصار في تكساس.

إذن ماذا يحدث للفراشة التي يضرب بها المثل في النظام الكمي؟ يقول بيتر كلايس، الفيزيائي في معهد ماكس بلانك لفيزياء الأنظمة المعقدة في دريسدن بألمانيا، والذي لم يشارك في الدراسة الجديدة: “ستكون هناك دائمًا تقلبات (كمية) صغيرة”. مثل الفراشة الكلاسيكية، يمكن لهذه التقلبات أيضًا أن يكون لها تأثيرات على عملية خلط المعلومات في النظام الكمي.

لدراسة كيفية خلط المعلومات الكمومية، يستخدم الباحثون خدعة فك التشفير تسمى “مرتبط خارج الزمن” (OTOC). يسير بروتوكول OTOC على النحو التالي: خذ مكعب روبيك الذي تم حله وقم بخلطه بتسلسل محدد من التقلبات. ثم قم بإضافة تطور إضافي وقم بتنفيذ التسلسل الأول في الاتجاه المعاكس. تُلغي العمليتان الأولى والأخيرة – عملية الخلط والتفكيك – بشكل فعال مما يتيح لك فحص تأثيرات الالتواء في المنتصف، والذي يُطلق عليه بشكل مناسب “عامل الفراشة”. (يُشار إلى هذا أحيانًا بشكل مضلل باسم “عكس الزمن”. فالزمن لا يعكس نفسه حقًا في هذه العملية أكثر مما يفعل عندما تقول الأبجدية إلى الوراء.)

في عام 2021، عرضت Google بروتوكول OTOC على شريحة Sycamore الخاصة بها، وهو بروتوكول أكثر عرضة للخطأ، وهو سلف 53 كيوبت لـ Willow. وفي مكالمة صحفية لمناقشة نتائج ويلو الجديدة، وصف هارتموت نيفين، رئيس جهود الحوسبة الكمومية في جوجل، OTOCs بأنها “مقياس لمدى سرعة انتقال المعلومات في نظام متشابك للغاية”. في عملهم لعام 2021، تمكن باحثو Google من ملاحظة كيفية انتشار المعلومات عبر شبكة الكيوبتات الخاصة بـ Sycamore، والتي تمتد إلى الخارج من حالتها الأولية. وعلى الرغم من كونها مثيرة للاهتمام، إلا أن النتيجة كانت في متناول أجهزة الكمبيوتر العملاقة الكلاسيكية.

ولاختبار حدود Willow، بعددها المضاعف من الكيوبتات ودقة الكيوبتات المضاعفة تقريبًا، قام باحثو Google بتشغيلها من خلال بروتوكول OTOC مضاعف: التدافع، الفراشة، فك التشفير، التدافع، الفراشة، فك التشفير. وفي تشبيه مكعب روبيك، أدت هذه الخطوات المضاعفة إلى زيادة تعقيد القياس بكثير. وفي الوقت نفسه، نظرًا لأنه قلل من إمكانية اكتشاف الفراشة بشكل عام في النظام المختلط، فإن التعقيد جعل القياس أكثر صعوبة بكثير بالنسبة لأجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية لمحاكاته. ويقدر باحثو جوجل أن الكمبيوتر العملاق الكلاسيكي سيستغرق ثلاث سنوات ليقوم بما فعله ويلو في ساعتين. وحث بعض المراجعين الأقران على الحذر. وكما ذكرنا، فقد انهارت العديد من الادعاءات المتعلقة بالميزة الكمومية – بما في ذلك ادعاء جوجل في عام 2019 – مع تحسن الخوارزميات الكلاسيكية.

في نهاية طبيعة في ورقة بحثية، سخر باحثو Google من أن “التطبيق الواقعي المثير” لاستخدام OTOC في عمليات المحاكاة الجزيئية سيظهر في العمل المستقبلي.

واليوم، بدأ فريق Google في الوفاء بهذا الوعد، حيث أطلق الخطوات الأولى من العملية في طبعة أولية أخرى. طبق الباحثون بروتوكول OTOC على ويلو لتقدير خاصية رئيسية لنظام الجزيئات العضوية: المسافة بين ذرتي الهيدروجين. على الرغم من أن تقنية المحاكاة لا تزال ناشئة وليست أسرع من الأساليب الكلاسيكية، إلا أنها تبدو متفقة مع النتائج التجريبية.

إن التطبيقات العملية للكيمياء الدقيقة ميكانيكيًا الكم ليست هي الجوانب الوحيدة المثيرة للاهتمام في النتيجة الأخيرة. يشعر الفيزيائيون مثل شو بالفضول بشأن ما يمكن أن تقوله بروتوكولات OTOC المضاعفة أو الثلاثية عن تخليط المعلومات.

قد تكون OTOCs دليلًا على اللغز الكامن في قلب الفيزياء: ماذا يحدث للمعلومات داخل الثقب الأسود؟ تقول لورا كوي، الحاصلة على درجة الدكتوراه: “بدأ الناس يفكرون في تخليط المعلومات وديناميكيات المعلومات في سياق فيزياء الثقب الأسود”. طالب يبحث في المعلومات الكمومية في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا. “نحن في طريقنا لحل المشكلة باستخدام هذه الأدوات من نظرية المعلومات.”

حان الوقت للدفاع عن العلم

إذا استمتعت بهذا المقال، أود أن أطلب دعمكم. العلمية الأمريكية لقد عمل كمدافع عن العلوم والصناعة لمدة 180 عامًا، وربما تكون اللحظة الحالية هي اللحظة الأكثر أهمية في تاريخ القرنين.

لقد كنت العلمية الأمريكية مشترك منذ أن كان عمري 12 عامًا، وقد ساعد ذلك في تشكيل الطريقة التي أنظر بها إلى العالم. SciAm يثقفني ويسعدني دائمًا، ويلهمني شعورًا بالرهبة تجاه عالمنا الواسع والجميل. وآمل أن يفعل ذلك بالنسبة لك أيضا.

إذا كنت الاشتراك في العلمية الأمريكيةأنت تساعد في ضمان أن تغطيتنا تركز على البحث والاكتشاف الهادف؛ وأن لدينا الموارد اللازمة للإبلاغ عن القرارات التي تهدد المختبرات في جميع أنحاء الولايات المتحدة؛ وأننا ندعم العلماء الناشئين والعاملين على حد سواء في وقت لا يتم فيه الاعتراف بقيمة العلم نفسه في كثير من الأحيان.

وفي المقابل، تحصل على الأخبار الأساسية، ملفات بودكاست آسرة، ورسوم بيانية رائعة، لا يمكنك تفويت النشرات الإخبارية ومقاطع الفيديو التي يجب مشاهدتها، ألعاب التحدي، وأفضل الكتابة والتقارير في عالم العلوم. يمكنك حتى إهداء شخص ما اشتراكًا.

لم يكن هناك وقت أكثر أهمية بالنسبة لنا للوقوف وإظهار أهمية العلم. آمل أن تدعمونا في تلك المهمة.