پژوهشگران با آزمایش روی شبیهساز کوانتومی ۵۱ یونی روشی برای تعیین عددی حاشیه خطای نتایج ارائه کردند؛ روشی که میتواند اعتمادپذیری محاسبات کوانتومی و سنجش برتری کوانتومی را متحول کند.
به گزارش سیناپرس، پژوهشگران روشی برای تعیین عددی میزان خطای شبیهسازیهای کوانتومی ارائه کردهاند که میتواند امکان سنجش میزان اطمینان به نتایج این شبیهسازیها را فراهم کند.
با قدرتمندتر شدن شبیهسازهای کوانتومی و حرکت آنها به سمت حل مسائلی که از توان رایانههای متعارف خارج است یک پرسش اساسی بیش از گذشته اهمیت پیدا میکند: چگونه میتوان از صحت نتایج بهدستآمده از یک شبیهسازی کوانتومی اطمینان حاصل کرد؟
تا زمانی که محاسبات مربوط به یک مسئله با رایانههای کلاسیک امکانپذیر باشد پژوهشگران میتوانند نتایج یک شبیهساز کوانتومی را مستقیما با محاسبات کلاسیک مقایسه و صحت آنها را بررسی کنند اما زمانی که سامانههای کوانتومی وارد محدودهای میشوند که محاسبه مستقل آنها با رایانههای کلاسیک دیگر امکانپذیر نیست روش دیگری برای اعتبارسنجی نتایج مورد نیاز خواهد بود.
اکنون پژوهشگران به سرپرستی تریستان کرافت از دانشگاه فنی مونیخ و پیتر زولر از دانشگاه اینسبروک و موسسه اپتیک کوانتومی و اطلاعات کوانتومی آکادمی علوم اتریش با همکاری باربارا کراوس از دانشگاه فنی مونیخ روشی را برای مشخصهیابی تجربی یک شبیهساز کوانتومی ارائه کردهاند که میتواند عدمقطعیتهای موجود در این سامانه را به حدود خطای عددی تبدیل کند.
این روش توسط گروهی به سرپرستی مانوج جوشی و کریستیان روس در یک شبیهساز کوانتومی مبتنی بر تله یونی آزمایش شده است سامانهای که در این آزمایشها تا ۵۱ یون را دربر میگرفت.
عدمقطعیت اجتنابناپذیر در سامانههای واقعی
شبیهسازهای کوانتومی سامانههای فیزیکی هستند که برای بازتولید رفتار سایر سامانههای کوانتومی طراحی میشوند. این فناوری بهویژه برای مطالعه سامانههای پیچیده چندذرهای اهمیت دارد؛ سامانههایی که محاسبه رفتار آنها با افزایش تعداد ذرات میتواند بهسرعت از توان رایانههای کلاسیک فراتر رود. با این حال هیچ آزمایش واقعی کاملا بدون خطا و نقص نیست.
تریستان کرافت در این زمینه میگوید: برهمکنشها ممکن است با آنچه انتظار میرود متفاوت باشند سامانه تحت تأثیر محیط اطراف خود قرار میگیرد و اندازهگیریها نیز با عدمقطعیت همراه هستند.
پژوهشگران بهجای آنکه فرض کنند یک شبیهساز دقیقا مطابق طراحی و مدل نظری خود عمل میکند از اندازهگیریهای تجربی برای تعیین نحوه عملکرد واقعی آن استفاده کردهاند.
کرافت توضیح میدهد: ما بر اساس این دادهها برهمکنشهای مرتبط و همچنین تاثیرات مهم ناشی از نوسانات و نویز را تعیین میکنیم سپس محاسبه میکنیم که عدمقطعیتهای موجود در این مدل چگونه بر نتایج شبیهسازی تاثیر میگذارند.
به این ترتیب شبیهساز کوانتومی دیگر صرفا یک مقدار یا نتیجه نهایی ارائه نمیکند بلکه نتیجهای همراه با حاشیه خطا در اختیار پژوهشگر قرار میدهد که میزان دقت آن را بهصورت کمی مشخص میکند.
آزمایش روش از ۱۰ تا ۵۱ یون
پژوهشگران در نخستین مرحله روش خود را روی سامانهای متشکل از ۱۰ یون آزمایش کردند. این سامانه به اندازهای کوچک بود که امکان محاسبه رفتار آن با استفاده از یک رایانه متعارف وجود داشت.
پژوهشگران سپس مدل بهدستآمده و حدود خطای پیشبینیشده توسط آن را با اندازهگیریهای مستقل مقایسه کردند. این مقایسه به آنها اجازه داد بررسی کنند که آیا روش پیشنهادی میتواند میزان عدمقطعیت و خطای شبیهسازی را به شکل قابل اتکایی پیشبینی کند یا خیر.
پس از تایید این روش در سامانه کوچکتر پژوهشگران آن را به یک زنجیره متشکل از ۵۱ یون گسترش دادند. این آزمایش نشان داد که راهبرد مذکور تنها برای سامانههای کوچک کاربرد ندارد و میتوان آن را برای سامانههای کوانتومی بهمراتب بزرگتر نیز به کار گرفت.
حرکت به سوی سامانههای کوانتومی دوبعدی
هدف بعدی پژوهشگران، استفاده از این روش در سامانههای کوانتومی دوبعدی است؛ حوزهای که اهمیت آن با افزایش تعداد ذرات بیشتر میشود.
پیتر زولر از پیشگامان رایانش کوانتومی در این باره میگوید: این موضوع از آن جهت اهمیت ویژهای دارد که محاسبات کلاسیک برای چنین سامانههایی با افزایش تعداد ذرات بهطور قابلتوجهی دشوارتر میشوند.
به گفته او با پیچیدهتر شدن محاسبات کلاسیک، اعتبارسنجی مستقل نتایج شبیهسازیهای کوانتومی نیز دشوارتر خواهد شد و در نتیجه امکان تعیین تجربی حدود خطا اهمیت بیشتری پیدا میکند.
پژوهشگران اکنون در حال تطبیق این روش با نسل جدید شبیهسازهای کوانتومی دوبعدی هستند؛ شبیهسازهایی که از دقت بیشتری برخوردارند و میتوانند تعداد بیشتری از ذرات را مدیریت کنند.
اندازهگیری کمی برتری کوانتومی
اهمیت این روش تنها به تعیین میزان خطای شبیهسازیهای کوانتومی محدود نمیشود. پژوهشگران معتقدند در بلندمدت این رویکرد میتواند راهی برای اندازهگیری کمی برتری کوانتومی فراهم کند.
در حال حاضر برتری یک سامانه کوانتومی معمولا با معیارهایی مانند سرعت یا توانایی آن برای کار با سامانههای بزرگتر نسبت به رایانههای کلاسیک ارزیابی میشود اما پژوهشگران معتقدند یک معیار مهم دیگر نیز باید مورد توجه قرار گیرد: میزان قابلاعتماد بودن نتیجهای که سامانه ارائه میدهد.
بر این اساس هنگامی که یک رایانه کلاسیک و یک شبیهساز کوانتومی یک مسئله مشابه را حل میکنند تنها سرعت ارائه پاسخ تعیینکننده نیست بلکه باید بررسی کرد کدام سامانه میتواند مسئله را با حاشیه خطای کمتر و قابل راستیآزمایی حل کند.
زولر در این باره میگوید: در نهایت زمانی که یک رایانه کلاسیک و یک شبیهساز کوانتومی یک مسئله مشابه را حل میکنند، موضوع فقط این نیست که کدامیک نتیجه را سریعتر ارائه میدهد. آنچه اهمیت دارد این است که کدامیک میتواند مسئله را با حاشیه خطای کوچکتر و قابل راستیآزمایی حل کند.
به نقل از انگجت، این رویکرد میتواند در آینده نحوه ارزیابی عملکرد شبیهسازهای کوانتومی را تغییر دهد، بهگونهای که اندازه سامانه و سرعت محاسبه تنها معیارهای سنجش عملکرد نباشند و میزان دقت نتایج و امکان تعیین مستقل خطای آنها نیز به یکی از شاخصهای اصلی تبدیل شود.
در چنین چارچوبی یک مسئله پیچیده زمانی میتواند بهعنوان نمونهای واقعی از برتری کوانتومی مطرح شود که نهتنها سریعتر یا در مقیاس بزرگتر حل شده باشد بلکه نتیجه بهدستآمده دارای دقتی باشد که بتوان آن را بهصورت مستقل و کمی ارزیابی کرد.