پژوهشگران IBM و دانشگاه شیکاگو موفق شدند محاسبهای پیچیده را با یک رایانه کوانتومی در حدود ۱۵ دقیقه انجام دهند؛ محاسبهای که شبیهسازی آن برای رایانههای کلاسیک عملاً امکانپذیر نیست و اکنون با روشی جدید، صحت نتایج آن نیز قابل بررسی شده است.
به گزارش سیناپرس، پژوهشگران از انجام محاسبهای خبر دادند که در مدت ۱۵ دقیقه با یک رایانه کوانتومی انجام شد اما شبیهسازی آن برای رایانههای کلاسیک عملا ممکن نیست؛ دستاوردی که به گفته آنها برتری کوانتومی را با امکان راستیآزمایی نتایج به نمایش میگذارد.
پژوهشگران شرکت IBM با همکاری محققان دانشگاه شیکاگو از دستیابی به یکی از مهمترین نقاط عطف در حوزه رایانش کوانتومی خبر دادند. آنها موفق شدند محاسبهای را انجام دهند که نهتنها از توان عملی رایانههای کلاسیک برای شبیهسازی فراتر است بلکه برای نخستین بار با روشی قابل اعتماد، صحت نتایج آن نیز مورد تایید قرار گرفته است.
نتایج این پژوهش در قالب مقالهای در پایگاه پیشانتشار arXiv منتشر شده و به گفته پژوهشگران این دستاورد معیارهای اساسی برتری کوانتومی (Quantum Advantage) را برآورده میکند، مرحلهای که در آن یک رایانه کوانتومی بهطور قابل اثبات عملکردی فراتر از رایانههای کلاسیک در انجام یک محاسبه معتبر ارائه میدهد.
عبور از یکی از بزرگترین چالشهای رایانش کوانتومی
یکی از مشکلات اصلی در اثبات برتری کوانتومی تنها انجام محاسبات پیچیده نیست بلکه اثبات درست بودن پاسخهای تولیدشده نیز اهمیت زیادی دارد. هرچه مسئله پیچیدهتر شود بررسی و تایید خروجی آن با استفاده از رایانههای کلاسیک دشوارتر و در نهایت غیرممکن میشود.
در سالهای گذشته پژوهشگران معمولا از معیاری به نام نمونهبرداری از مدارهای تصادفی (Random Circuit Sampling یا RCS) برای سنجش توان رایانههای کوانتومی استفاده میکردند. در این روش رایانه کوانتومی الگوهایی بسیار پیچیده تولید میکند که بازتولید آنها برای رایانههای کلاسیک از نظر محاسباتی بسیار دشوار است اما این روش یک ضعف مهم داشت. هرچه مسئله سختتر میشد امکان راستیآزمایی نتایج نیز کاهش مییافت و برای تایید خروجیها باید فرضیات متعددی درباره عملکرد داخلی رایانه کوانتومی در نظر گرفته میشد.
ارائه روشی جدید برای راستیآزمایی محاسبات
تیم تحقیقاتی برای رفع این مشکل ساختاری جدید برای مدارهای کوانتومی رمزگذاریشده طراحی کرد که ضمن حفظ همان سطح دشواری محاسباتی روش RCS امکان شناسایی خطاها در حین اجرای محاسبات را نیز فراهم میکند.
به گفته پژوهشگران این روش جدید باعث میشود بتوان با اطمینان بیشتری تشخیص داد که رایانه کوانتومی واقعا مسئلهای فراتر از توان محاسباتی رایانههای کلاسیک را حل کرده است.
بیل ففرمن، دانشیار علوم رایانه در دانشگاه شیکاگو و از نویسندگان این مقاله در این باره گفت: راستیآزمایی همچنان یکی از بزرگترین چالشها برای اثبات قطعی برتری کوانتومی در آزمایشها به شمار میرود. این پژوهش روشهایی را برای ارزیابی دقیقتر کیفیت حالتهای کوانتومی پیچیده در حضور نویز ارائه میدهد و اعتماد به این موضوع را افزایش میدهد که رایانه کوانتومی واقعا در حال حل یک مسئله محاسباتی بسیار دشوار است.
همچنین سومیک گوش، دانشجوی دکتری دانشگاه شیکاگو و دیگر نویسنده این پژوهش اظهار کرد: پیشرفت در روشهای راستیآزمایی علاوه بر تقویت اعتبار آزمایشهای کوانتومی، میتواند راه را برای کاربردهای عملی نسل آینده رایانههای کوانتومی هموار کند.
یکی از بزرگترین نمایشهای تصحیح خطای کوانتومی
پژوهشگران اعلام کردند این آزمایش یکی از بزرگترین نمایشهای تصحیح خطای کوانتومی (Quantum Error Correction) تاکنون محسوب میشود.
در این آزمایش سامانه کوانتومی موفق شد ۷۰ کیوبیت منطقی (Logical Qubits) را همزمان اجرا کرده و آنها را در برابر خطاهای محاسباتی محافظت کند.
علاوه بر این سامانه موفق به اجرای ۲ هزار و ۴۱۵ عملیات منطقی دوکیوبیتی (Logical Two-Qubit Operations) و ۴۶۸ دروازه منطقی T (Logical T Gates) شد؛ دو شاخصی که میزان پیچیدگی و توان یک مدار کوانتومی را نشان میدهند و بیانگر اجرای محاسباتی بسیار پیچیده در این سامانه هستند.
انجام محاسبه در ۱۵ دقیقه
به گفته IBM رایانه کوانتومی این شرکت توانست کل این محاسبه را در حدود ۱۵ دقیقه به پایان برساند. در مقابل پژوهشگران نشان دادند بسیاری از بهترین روشهای موجود برای شبیهسازی کلاسیک این مسئله با زمان اجرای بسیار طولانی و از نظر عملی غیرقابل انجام مواجه میشوند. این موضوع نشان میدهد این محاسبه عملا خارج از دسترس رایانههای کلاسیک قرار دارد.
وارد عصر برتری کوانتومی شدهایم
جی گامبتا مدیر بخش تحقیقات IBM و پژوهشگر ارشد این شرکت این دستاورد را نقطه عطفی برای صنعت رایانش کوانتومی توصیف کرد و گفت: اکنون بهطور قطعی وارد عصر برتری کوانتومی شدهایم. ما محاسبهای را انجام دادهایم که از دسترس عملی رایانههای کلاسیک خارج است و در عین حال با اطمینان آماری نشان دادهایم این محاسبه با دقت بالا اجرا شده است. این دستاورد پایهای جدید برای اعتماد دانشمندان، توسعهدهندگان و کسبوکارها به رایانههای کوانتومی ایجاد میکند؛ رایانههایی که در آینده قادر خواهند بود مسائلی را حل کنند که انجام آنها با سامانههای کلاسیک امکانپذیر نیست.
به نقل از برنا، پژوهشگران معتقدند اهمیت این دستاورد تنها در سرعت یا قدرت بیشتر رایانههای کوانتومی نیست بلکه در توانایی اثبات و راستیآزمایی نتایج نهفته است، مسئلهای که سالها یکی از موانع اصلی پذیرش عملی رایانش کوانتومی محسوب میشد.
به باور آنها ترکیب محاسبات فراتر از توان رایانههای کلاسیک با امکان تایید مستقل صحت نتایج میتواند مسیر توسعه نسل آینده رایانههای کوانتومی را برای حل مسائل پیچیده در حوزههایی مانند شیمی، طراحی مواد، بهینهسازی، هوش مصنوعی و رمزنگاری هموارتر کند.