کامپیوترهای کوآنتومی وارد زندگی ما می شوند؟ ، همه چیز همه جا و به یک باره - وبلاگ دانلود شریف

به گزارش وبلاگ دانلود شریف، کامپیوترهای کوانتومی احتمالا به زودی مشکلاتی را که ابرکامپیوترهای قدرتمند امروزی را تحت تاثیر قرار می دهند، حل خواهند کرد.

به گزارش وبلاگ دانلود شریف و به نقل از سیگولاریتی هاب، یک کامپیوتر کوانتومی آی بی ام در تست اولیه، یک ابرکامپیوتر را شکست داد. محاسبه و دقت هر دو یک جا جمع شده اند. یک همکاری تازه بین آی بی ام (IBM) و دانشگاه برکلی نشان داد که برای حل مسائل چالش برانگیز، از درک رفتار مواد مغناطیسی گرفته تا مدل سازی نحوه رفتار شبکه های عصبی یا نحوه انتشار اطلاعات در شبکه های اجتماعی، لزوما به کامل ترین چیز احتیاج نداریم.

این دو تیم تراشه 127 کیوبیتی (بیت کوآنتومی) IBM Eagle را در مقابل ابررایانه های مخصوص کارهای پیچیده تر آزمایشگاه ملی لارنس برکلی و دانشگاه پردو قرار دادند. با محاسبات آسان تر، ایگل هر بار نتایج ابررایانه ها را نشان داد. این یعنی حتی با وجود نویز، کامپیوتر کوانتومی می تواند به پاسخ های دقیقی برسد. اما جایی که این کامپیوتر کوآنتومی درخشید، توانایی آن در تحمل مقیاس بود؛ نتایجی بسیار دقیق تر - در تئوری - از آنچه امروز با تراشه های کامپیوتری سیلیکونی پیشرفته امکان پذیر است.

این مطالعه که در Nature منتشر شده است، در پی مزیت کوانتومی نیست (به این معنا که رایانه های کوانتومی می توانند مسائل را سریع تر از رایانه های معمولی حل نمایند.) بلکه نشان می دهد که رایانه های کوانتومی امروزی، حتی زمانی که چندان کامل نباشند، ممکن است زودتر از حد انتظار به بخشی از تحقیقات علمی و شاید ابزار زندگی ما تبدیل شوند. به عبارت دیگر، ما اکنون وارد حوزه ابزار کوانتومی شده ایم.

دکتر کریستن تم، یکی از محققان گفت: نکته مهم این است که اکنون می توانیم از تمام 127 کیوبیت ایگل برای اجرای یک مدار بسیار بزرگ و ژرف استفاده کنیم و به اعداد درست برسیم.

پاشنه آشیل کامپیوترهای کوانتومی خطاهای آن هاست. مشابه تراشه های کامپیوتری کلاسیک مبتنی بر سیلیکون - آن هایی که در موبایل یا لپ تاپ شما کار می نمایند - کامپیوترهای کوانتومی از بسته های داده ای به نام بیت ها به عنوان روش اصلی محاسبه استفاده می نمایند. تفاوت این است که در کامپیوترهای کلاسیک، بیت ها 1 یا 0 را نشان می دهند، اما به لطف ویژگی های کوانتومی، معادل کوانتومی بیت ها، کیوبیت ها، در حالت شار وجود دارند و شانس فرود در هر یک از موقعیت ها را دارند.

این ویژگی عجیب و غریب به همراه چیزهای دیگر، این امکان را برای رایانه های کوانتومی فراهم می نماید که به طور همزمان چندین محاسبه پیچیده را انجام دهند (اساسا همه چیز، همه جا، به یکباره. بله مثل همان فیلم مشهور.) آن ها را در تئوری بسیار کارآمدتر از تراشه های سیلیکونی امروزی عمل می نمایند. محققان می گویند رقابت بر سر نشان دادن اینکه این پردازنده ها می توانند عملکرد بهتری از همتایان کلاسیک خود داشته باشند، سخت است.

کیوبیت ها چیزهای پیچیده ای هستند و روش های تعامل آنها با یکدیگر نیز همین طور است. حتی تغییرات جزئی در شرایط یا محیط آنها می تواند محاسبات را دچار خطا کند. وندین و بایلندر می گویند: توسعه پتانسیل کامل رایانه های کوانتومی احتیاجمند دستگاه هایی است که بتوانند خطاهای خود را تصحیح نمایند.

انتها داستان یک کامپیوتر کوانتومی مقاوم در برابر خطا است. اینجا، هزاران کیوبیت با کیفیت مشابه کیوبیت های کامل خواهیم داشت که امروزه در مدل های شبیه سازی شده استفاده می شوند؛ مدل هایی که همگی به وسیله یک سیستم خوداصلاحگر کنترل می شوند.

رسیدن به این فانتزی ممکن است چندین دهه طول بکشد. اما در این میان، دانشمندان به یک راه چاره موقت دست یافتند: کاهش خطا. ایده ساده است: اگر نمی توانیم نویز را حذف کنیم، چرا آن را نپذیریم؟ ایده، میزان گیری و تحمل خطاها در حین یافتن روش هایی است که خطاهای کوانتومی را با استفاده از نرم افزارهای پس پردازش جبران می نمایند.

آی بی ام کوانتوم در سال 2017 یک نظریه راهنما را منتشر کرد: اگر بتوانیم منبع نویز را در سیستم محاسباتی کوانتومی درک کنیم، می توانیم اثرات آن را حذف کنیم. ایده کلی کمی غیر متعارف است. تیم تحقیقاتی به جای محدود کردن نویز، عمدا نویز را در یک کامپیوتر کوانتومی با استفاده از تکنیک مشابهی که کیوبیت ها را کنترل می نماید، افزایش داد. این امر امکان میزان گیری نتایج حاصل از آزمایش های متعدد با سطوح مختلف نویز را فراهم و راه هایی برای مقابله با اثرات منفی آن ایجاد کرد.

در این مطالعه، تیم مدلی از نحوه رفتار نویز در سیستم فراوری کرد. با این اطلس نویز، آن ها بهتر می توانستند سیگنال های ناخواسته را به روشی قابل پیش بینی دستکاری، تقویت و حذف نمایند.

آن ها با استفاده از نرم افزار پس پردازش به نام Zero Noise Extrapolation (ZNE) اطلس نویز میزان گیری شده را به سیستمی بدون نویز برون یابی کردند؛ مانند پاک کردن دیجیتالی نویزهای پس زمینه از یک موسیقی متن ضبط شده.

برای اثبات مفهوم، تیم به یک مدل ریاضی کلاسیک روی آورد که برای ثبت سیستم های پیچیده در فیزیک و علوم اعصاب استفاده می گردد. این مدل که مدل 2D Ising نام دارد، در ابتدا تقریبا صد سال قبل برای مطالعه مواد مغناطیسی ساخته شد.

مدل Ising شبکه ای از قطب نماها را تقلید می نماید که در آن چرخش هر یک بر چرخش همسایه اش تاثیر می گذارد. هر چرخش دو حالت دارد: بالا یا پایین. اگرچه در ابتدا برای توصیف خواص مغناطیسی استفاده می شد، اکنون به طور گسترده برای شبیه سازی رفتار سیستم های پیچیده، مانند شبکه های عصبی بیولوژیکی استفاده می گردد. بعلاوه به پاکسازی نویز در تجزیه و تحلیل تصویر یاری و کامپیوتر را تقویت می نماید.

این مطالعه با ارائه برنامه هایی که می توانند مزیت کوانتومی مفیدی را فراتر از تحقیقات محاسبات کوانتومی ارائه دهند، توسعه فناوری دستگاه، سیستم های کنترل و نرم افزار را راهنمایی می نماید و راه را برای محاسبات کوانتومی متحمل خطا، هموار می نمایند. اگرچه هنوز در ابتدای راه هستیم، اما این مطالعه از امکانات بیشتر پردازنده های کوانتومی برای تقلید از سیستم های فیزیکی خبر می دهد.