الملخص:
أعلنت Google أن فريق Google للذكاء الاصطناعي الكمي قد نجح في التغلب على عنق الزجاجة الرئيسي في الحوسبة الكمومية: فقد أثبت أن حل "زراعة الحالة السحرية" ممكن على معالج Willow، كما تم تقليل الخطأ بنحو 40 مرة مقارنة بعدم استخدام هذه التكنولوجيا. تم نشر هذه النتيجة المذهلة اليوم في مجلة Science وهي خطوة أساسية في تعزيز التطبيق العملي واسع النطاق للحوسبة الكمومية.
عنق الزجاجة السحري
في وقت مبكر من عام 2004، قبل وقت طويل من أن تصبح الحوسبة الكمومية اتجاهًا هندسيًا عمليًا، توقع الباحثون حدوث عنق الزجاجة الشائك.
هل ترغب في تحقيق
الحوسبة الكمومية العالمية
لتشغيل برنامج ذي قيمة عملية، يجب أن يكون قادرًا على تنفيذ مجموعة محددة من العمليات الكمية. يتم تحقيق ذلك من خلال إعداد ما يسمى بـ "الحالات السحرية" أولاً، والتي سميت بهذا الاسم لأن هذه الحالات الكمومية يمكنها توليد عمليات كمومية تتجاوز تلك المطلوبة للحسابات الكلاسيكية.ولكن هناك مشكلة هنا: إنتاج وحوش عالية الجودة ومصححة للأخطاء يتطلب استخدامًا كبيرًا للموارد. تشير بعض التقديرات إلى أن الكمبيوتر الكمي قد يستخدم ما يصل إلى 95% من إجمالي قوة الحوسبة لتوليد حالات سحرية، مما يترك القليل جدًا من الموارد لإجراء الحسابات الفعلية. هناك صعوبة أخرى: بمجرد استخدام الحالة السحرية، لا يمكن إعادة استخدامها وهي مورد نادر.
لذلك، على مدى العقدين الماضيين، واصل الباحثون العلميون تقليل تكلفة الموارد لإعداد الحالة السحرية.
كيفية تحقيق هذا الاختراق
في عام 2024، استعار باحثو Google Quantum AI كريج جيدني ونوح شولتي وكودي جونز أفكارًا من الأدبيات وقاموا بتحسينها لتطوير ما يسمى الآن
زراعة الحالة السحرية
تكنولوجيا. ومن المتوقع أن يؤدي هذا البرنامج إلى تقليل استهلاك الموارد بشكل كبير. الفكرة الأساسية هي: عملية الزراعة تشبه الفلتر. يتم حقن الحالات الكمومية الصاخبة في مساحة صغيرة من الشريحة الكمومية، ثم يتم إجراء سلسلة من القياسات عالية التنسيق لاستكشاف الأخطاء وإصلاحها وإزالة العينات غير المؤهلة. أثبت فريق كريج أنه باستخدام هذه الطريقة، من الممكن "زراعة" حالات كمومية ذات درجة نقاء عالية للغاية وخطأ منخفض، ويمكن تحويلها في الوقت نفسه إلى نماذج تشفير عملية وواسعة النطاق.هذا الحل له نتائج نظرية ممتازة. إذا كان من الممكن تنفيذها على الأجهزة الكمومية، فيمكن أن تقلل بشكل كبير من حجم أجهزة الكمبيوتر الكمومية المطلوبة للمهام العملية.
مثل العديد من الأبحاث والتطوير في مجال التكنولوجيا الجديدة، يتطلب تنفيذ المشروع سلسلة من الابتكارات التكنولوجية والأبحاث الهندسية.
أحد الأمثلة: عند اختبار بروتوكول الزراعة لأول مرة، لاحظت إيما روزنفيلد، باحثة الذكاء الاصطناعي الكمي في Google، بيانات تبدو وكأنها تتحدى قوانين الفيزياء. وبعد أشهر من استكشاف الأخطاء وإصلاحها والمحاكاة ومناقشات الأقران والتحقق من الاتساق، اكتشفت أن المشكلة تنبع من افتراضات غير صحيحة في أساليب القياس الشائعة الاستخدام لدى الفريق. على وجه التحديد، هناك نوع من الضوضاء الناجمة عن الانجراف وتقلبات درجات الحرارة في المعدات الكهربائية المختبرية يتداخل مع صحة نتائج الاختبار المعياري. يحتاج الفريق إلى تعديل الإطار النظري والخطط الهندسية في وقت واحد. وأضاف فريق البحث طرق تحكم إضافية للنظام لإضعاف تأثير الضوضاء؛ كما أنشأت أيضًا مجموعة من طرق الاختبار المعياري لاستخدام التكنولوجيا نفسها كأداة قياس لحل المشكلة من الجذر.
بالاعتماد على هذا الإنجاز والمزيد من ابتكارات الخوارزميات والحلول الهندسية، دفعت Google تكنولوجيا القياس الكمي إلى مستوى أعلى جديد. في معالج Willow الخاص بـ Google Quantum AI، يحقق هذا البروتوكول ضغطًا للأخطاء يصل إلى 40 مرة مقارنة بالحالات الكمومية دون معالجة الزراعة؛ تصل الدقة المنطقية لحالة T الناتجة إلى مستوى قياسي يبلغ 99.99%.
تم الآن نشر هذه النتيجة في مجلة Science. هذه هي المرة الأولى التي نعرض فيها حلاً عمليًا لواحدة من أخطر اختناقات الموارد في الحوسبة الكمومية، وتثبت على الأجهزة الحقيقية أن Google يمكنها إعداد هذه الحالة السحرية الرئيسية بكفاءة.
نتائج الأبحاث والآفاق المستقبلية
لقد تحققت Google أيضًا في البداية من إمكانية تكييف النظرية التي اقترحها كريج وآخرون مع بنية الحوسبة الكمومية الخاصة بها. أدرك الفريق التبديل بين "رمز اللون" (نوع جديد من كود تصحيح الخطأ الكمي، مناسب جدًا لتنمية الحالات السحرية) و"الرمز السطحي" (مخطط أكثر نضجًا لتصحيح الأخطاء)، وتطعيم الحالة الكمومية لرمز اللون بمسافة 3 إلى الكود السطحي بمسافة 5. جاء بروتوكول التطعيم هذا لأول مرة من ورقة نظرية في عام 2024. وأكدت هذه التجربة أن الحالة الكمومية النقية يمكن أن تبقى بثبات وتنتقل بسلاسة في الأجهزة.
التعليقات