معیار تازه ای مشخص می کند که رایانش کوانتومی چه زمانی بر ابررایانه ها غلبه خواهد کرد
محققان اعلام کرده اند که یک معیار جدید برای ارزیابی توانایی های رایانه های کوانتومی طراحی شده است که مشخص می کند این سیستم ها در کدام نقاط از سریع ترین سوپر رایانه ها پیشی می گیرند.
در این بررسی که توسط گروهی از مرکز پژوهشی «یولیش» واقع در آلمان به انجام رسیده است، ۱۹ پردازندهٔ کوانتومی (QPU) از پنج شرکت راهبردی از جمله IBM، کوانتینیوم، IonQ، Rigetti و IQM مورد ارزیابی قرار گرفته اند تا عملکرد آن ها در زمینه های رایانش پرتوان (HPC) سنجش شود.
مطابق گزارش ایتنا و براساس نقل قول های سای تک دیلی، در این آزمایش، پردازنده های کوانتومی از جنبه «عرض» (مربوط به تعداد کیوبیت ها) و «عمق» (شمار لایه های دروازه های دوکیوبیتی) تحلیل گردیدند. دروازه های دوکیوبیتی عملکردهایی هستند که به طور همزمان بر روی دو کیوبیت درهم تنیده صورت می پذیرند و عمق به مشخصه پیچیدگی و زمان اجرای مدار اشاره دارد.
یافته ها نشان می دهد که پردازنده های IBM از لحاظ عمق بهترین نتایج را ارائه داده اند، در حالی که کوانتینیوم در بخش عرض (با دارا بودن کیوبیت های بیشتر) موفق بوده است. به علاوه، تراشه های جدیدتر IBM از نسل Heron نسبت به نسل قبلی آن یعنی Eagle بهبود قابل ملاحظه ای در کارایی داشته اند.
شایان ذکر است که مطالعه حاضر نشان می دهد ارتقاء عملکرد صرفاً از توسعه سخت افزار ناشی نمی شود، بلکه بهبودهای نرم افزاری و به کارگیری «دروازه های کسری» نیز در این موفقیت اثرگذار بوده اند. این دروازه ها که در تراشه های Heron بکار رفته، می توانند پیچیدگی مدارها را به حداقل برسانند.
با این وجود، آخرین مدل از تراشهٔ Heron که با نام IBM Marrakesh شناخته می شود، با اینکه نرخ خطای پایینی در مقایسه با نسخه پیشین (IBM Fez) دارد، اما نتوانسته است بهبود محسوس در عملکرد ارائه دهد.
گامی فراتر از رایانش کلاسیک
در بین شرکت های کوچک تر، کوانتینیوم با تراشهٔ H21 به موفقیتی چشمگیر دست یافت. این پردازنده موفق شد با ۵۶ کیوبیت از معیار تازه عبور کند؛ رقمی که از توانایی های شبیه سازی دقیق سیستم های کلاسیک رایانه ای فراتر است.
محققان در مقاله خود نوشته اند: «آزمایش هایی که با ۵۰ و ۵۶ کیوبیت در پردازندهٔ Quantinuum H21 انجام شد، فراتر از قدرت محاسبات دقیق در سیستم های HPC هستند و نتایج نیز هم چنان معنادار باقی مانده اند.»
این تراشه به کمک الگوریتم بهینه سازی تقریبی کوانتومی با رمپ خطی (LRQAOA) در سطح گسترده ای به اجرا درآمد. در یکی از آزمایش ها، سه لایه از این الگوریتم بر روی ۵۶ کیوبیت به کار گرفته شد و از ۴۶۲۰ دروازهٔ دوکیوبیتی استفاده گردید.
دانشمندان خاطرنشان کردند: «تا آنجا که ما آگاهیم، این بزرگ ترین پیاده سازی الگوریتم QAOA برای حل یک مشکل ترکیبیاتی واقعی بر روی سخت افزار کوانتومی است که می تواند عملکردی بهتر از حدس تصادفی ارائه دهد.»
در عین حال، تراشهٔ Fez از IBM نیز در زمینه عمق بهترین نتایج را رقم زد. در آزمون هایی که شامل مسئله ای با ۱۰۰ کیوبیت و استفاده از ۱۰هزار لایه از LRQAOA (معادل تقریباً یک میلیون دروازهٔ دوکیوبیتی) بود، تراشهٔ Fez نزدیک به لایهٔ ۳۰۰ اطلاعات منسجم را حفظ کرد. ضعیف ترین عملکرد در این آزمایش متوجه تراشهٔ Ankaa2 از شرکت Rigetti بود.
معیاری برای آیندهٔ کاربردی رایانش کوانتومی
هدف از طراحی این معیار، سنجش توانایی QPUها در شرایط واقعی است. با این رویکرد، تیم پژوهش درصدد بوده که آزمایشی با قواعد واضح، قابل اجرا بر روی همهٔ سیستم ها و امکان تکرار طراحی کند.
این معیار مبتنی بر مشکلی به نام MaxCut شکل گرفته است. در این مسئله، گرافی با چندین رأس و یال به سیستم داده می شود و هدف آن تقسیم گره ها به دو دسته به گونه ای است که بیشترین تعداد یال میان این دو گروه قرار گیرد.
به گفته محققان، این مسئله دارای دشواری بالای محاسباتی و قابلیت تنظیم اندازه و پیچیدگی است، لذا برای آزمون مناسب می باشد.
هر زمان که خروجی یک سیستم به وضعیت «کاملاً ترکیبی» برسد به عبارتی، نتایج آن از یک تصادفی غیرقابل تمییز باشد سیستم مردود در نظر گرفته خواهد شد.
به علت سادگی و مقیاس پذیری این پروتکل آزمایشی، اجرای آن نسبتا کم هزینه خواهد بود و می تواند حتی با نمونه های کوچک، دستاوردهای معناداری ارائه کند.
نیز قابل ذکر است که این معیار عاری از عیب نیست. برای مثال، وابستگی به پارامترهای از پیش تعیین شده ممکن است به بهینه سازی در حین محاسبات آسیب برساند. بنابراین محققان پیشنهاد کرده اند که معیارهای بیشتر برای ارزیابی عملکرد ارائه شوند تا نهایتاً کارآمدترین آن ها با قواعد مشخص باقی بماند.
