Simon's Period Finding on a Quantum Annealer

في سعيها لفهم كيف تحسب الكون، نظرت العلماء طويلاً إلى القواعد الغريبة لميكانيكا الكم بحثاً عن إجابات. وخلافاً للحواسيب التي نستخدمها كل يوم، والتي تعالج المعلومات كسلسلة من مفاتيح التشغيل والإيقاف المحددة، يمكن للآلات الكمومية أن توجد في حالة من كونها "تعمل" و"لا تعمل" في آن واحد. هذه القدرة الغريبة تسمح لها باستكشاف العديد من الاحتمالات في وقت واحد، مما يقدم وعداً نظرياً بحل مشكلات معينة بسرعة مذهلة. ومن بين أقدم هذه الحيل الكمومية وأكثرها شهرة هي طريقة لإيجاد الأنماط المخفية، وهي مهمة حيوية لكسر الشفرات وتأمين المعلومات الرقمية. ولعقود من الزمن، كان الأمل هو أن تتمكن هذه الآلات الكمومية من التفوق على أفضل الحواسيب الكلاسيكية من خلال إيجاد هذه الأنماط المخفية بسرعة أكبر بشكل أسّي. ومع ذلك، فإن العالم الحقيقي فوضوي؛ فالأحوال الكمومية الدقيقة المطلوبة لهذه الحسابات تتعرض بسهولة للاضطراب بسبب الضجيج والتداخل، مما يؤدي إلى فشل الآلات قبل وقت طويل من قدرتها على حل مشكلات كبيرة ومفيدة.

لقد سلك فريق من الباحثين الآن مساراً مختلفاً لمعالجة هذه المشكلة، مبتعدين عن النهج القياسي القائم على الدوائر الذي عانى من الضجيج. بدلاً من ذلك، توجهوا إلى نوع من الآلات الكمومية يُعرف باسم "المُلدّن الكمومي" (quantum annealer)، والذي يعمل عن طريق تبريد النظام ببطء إلى حالته الأكثر استقراراً من حيث الطاقة للعثور على حل. طبق الباحثون هذه الطريقة على تحدٍ كلاسيكي لإيجاد الأنماط، ونجحوا في تشغيل التجربة على أجهزة قادرة على التعامل مع ما يقرب من ثلاثمائة بت كمومي. يوضح عملهم أن هذا النهج البديل أكثر مرونة تجاه الضجيج الذي يعطل الحواسيب الكمومية الأخرى، مما يسمح لهم بحل مشكلات تتضمن ما يصل إلى 298 بت كمومي. ومع ذلك، ورغم هذه المتانة، تكشف الدراسة عن واقع صادم: فبينما تكون الآلة الكمومية أكثر ديمومة، إلا أنها ليست أسرع بعد من أفضل الطرق الكلاسيكية المتاحة اليوم. لا تزال الطريقة الكمومية تتطلب وقتاً أكبر بشكل أسّي لحل المشكلات الأكبر، مما يشير إلى أن الحواسيب التقليدية تظل، في الوقت الحالي، الأداة المتفوقة لهذه المهمة المحددة.

التحدي الذي وضع الفريق نفسه لحله يُعرف باسم "مسألة سايمون" (Simon's problem)، وهي لغز يطلب من الحاسوب إيجاد إزاحة مخفية في مجموعة من البيانات. تخيل آلة تأخذ سلسلة طويلة من الأصفار والآحاد كمدخلات وتنتج سلسلة مختلفة كخرج. في هذه اللغز تحديداً، تم تصميم الآلة بحيث ينتج عن مدخلين مختلفين دائماً نفس المخرج تماماً، والفرق بين هذين المدخلين هو نمط سري مخفي. العثور على هذا النمط السري هو الهدف. في عالم مثالي خالٍ من الضجيج، يمكن للحاسوب الكمومي أن يجد هذا النمط بسرعة كبيرة من خلال أخذ عينات من مخرجات الآلة بضع مرات فقط. ومع ذلك، في العالم الحقيقي، يجعل الضجيج مخرجات الآلة غير موثوقة. فإذا لم يستطع الحاسوب الوثوق بقراءاته الخاصة، فلن يتمكن من التمييز بين النمط الصحيح والأخطاء العشوائية. هذه الهشاشة حدت من حجم المشكلات التي يمكن للحواسيب الكمومية القائمة على البوابات (gate-based) حلها إلى أقل من خمسين بت كمومي، وهو حد صغير جداً للتطبيقات العملية.

ولتجاوز هذا القيد، أعاد الباحثون صياغة المسألة لتناسب نقاط القوة المحددة للمُلدّن الكمومي. فبدلاً من محاولة استخراج قطعة واحدة من المعلومات من قياس مليء بالضجيج، صمموا المسألة بحيث تستقر الآلة طبيعياً في حالة يكشف فيها مدخلان محددان عن بعضهما البعض. لقد حققوا ذلك من خلال إضافة نظام عقوبة خاص إلى إعداد المسألة. يعمل هذا العقاب مثل دليل، حيث يشجع الآلة على تجاهل كل الضجيج العشوائي والتركيز فقط على المدخلين اللذين يتطابقان. ومن خلال القيام بذلك، خلق الباحثون سيناريو يحتوي فيه الوضع الأكثر استقراراً للآلة على الحل مباشرة. وقد اختبروا هذه الطريقة على مُلدّنات "دي-ويف" (D-Wave) الكمومية، وهي أجهزة فيزيائية تحتوي على آلاف الحلقات الصغيرة من الأسلاك التي تعمل كبتات كمومية. نجح الفريق في تشغيل خوارزميتهم على مشكلات تتراوح أحجامها من صغيرة جداً إلى ضخمة تصل إلى 298 بت كمومي، وهو مقياس سيكون مستحيلاً على الحواسيب الكمومية القياسية القائمة على البوابات الموجودة حالياً.

كانت نتائج التجربة مزيجاً من النجاح والقصور. فمن ناحية، أثبت المُلدّن الكمومي أنه متين للغاية؛ فقد تمكن من إيجاد الأنماط المخفية الصحيحة في مشكلات تتضمن ما يصل إلى 298 بت كمومي، وهي قفزة كبيرة في حجم المشكلات التي يمكن معالجتها على أجهزة تعاني من الضجيج. وجد الباحثون أنه من خلال ضبط معاملات العقوبة بعناية، استطاعوا ضمان عثور الآلة باستمرار على المدخلين المتطابقين اللازمين لحل اللغز. يسلط هذا النجاح الضوء على ميزة رئيسية لنهج التلدين: فهو لا يتطلب العمليات المعقدة والخالية من الأخطاء التي تحتاجها الآلات القائمة على البوابات، مما يجعله أكثر تسامحاً مع العيوب الموجودة في تكنولوجيا اليوم. ومع ذلك، عندما قارن الباحثون الوقت الذي استغرقه حاسوبهم الكمومي لحل هذه المشكلات مقابل حاسوب كلاسيكي، لم يفز الحاسوب الكمومي. فقد حل الحاسوب الكلاسيكي، باستخدام طريقة بحث متخصصة، المشكلات بشكل أسرع بكثير.

أظهرت الدراسة أنه بينما يمكن للمُلدّن الكمومي التعامل مع مشكلات أكبر من "أقرانه" القائمين على البوابات، فإن الوقت الذي يستغرقه لإيجاد الحل ينمو بشكل أسّي مع كبر حجم المشكلات. وفي المقابل، نما وقت الحاسوب الكلاسيكي بشكل أبطأ بكثير، متبعاً نمطاً تربيعياً أبقاه في المقدمة للأحجام التي تم اختبارها. لاحظ الباحثون أنه بالنسبة لأكبر المشكلات التي حاولوا حلها، بدأت الآلة الكمومية تفشل بشكل متكرر، غير قادرة على إيجاد الحل بشكل موثوق ضمن إطار زمني معقول. تشير هذه النتيجة إلى أنه بينما يوفر المُلدّن الكمومي وسيلة لدفع حدود ما هو ممكن فيزيائياً على أجهزة تعاني من الضجيج، فإنه لم يحقق بعد ميزة السرعة التي وعد بها النظرية الكمومية في الأصل. ويعد هذا العمل بمثابة برهان واضح على أنه في العصر الحالي للأجهزة الكمومية المليئة بالضجيج، لا تزال الخوارزميات الكلاسيكية تحتفظ بالسيادة من حيث الكفاءة، حتى مع إثبات الآلات الكمومية أنها يمكن أن تكون أكثر ديمومة في مواجهة التداخل.

في نهاية المطاف، تقدم هذه الأبحاث صورة واقعية لما وصل إليه الحوسبة الكمومية اليوم. فهي تؤكد أن النهج الجديدة، مثل استخدام المُلدّنات لإيجاد الأنماط المخفية، يمكن أن تتغلب على بعض الضجيج الذي عرقل التقدم في مجالات أخرى. إن القدرة على حل مشكلات تتضمن ما يقرب من ثلاثمائة بت كمومي هي إنجاز ملموس يوسع آفاق ما يمكن لهذه الآلات القيام به. ومع ذلك، توضح الدراسة أيضاً أن الديمومة وحدها لا تكفي لهزيمة الحواسيب الكلاسيكية. فالنمو الأسّي في الوقت المطلوب لحل المشكلات الأكبر يعني أن الميزة الكمومية لم تتحقق بعد لهذا النوع من المهام. ومن المرجح أن يتطلب المسار المستقبلي تحسينات إضافية في الأجهزة واستراتيجيات جديدة لتقليل الوقت الذي تستغرقه هذه الآلات لإيجاد إجاباتها، ولكن في الوقت الحالي، يظل الحاسوب الكلاسيكي هو الخيار الأسرع والأكثر موثوقية.