Quasiprobabilistic imaginary-time evolution on quantum computers
يقترح المؤلفون خوارزمية كمومية فعالة في استهلاك الموارد ومقاومة للضجيج للتطور الزمني التخيلي، تقوم بتفكيك خطوات "تروتر" (Trotterized) إلى تركيبات خطية احتمالية للعمليات دون الحاجة إلى كيوبتات مساعدة، مما يتيح تقدير القيم المتوقعة الحرارية على الأجهزة الكمومية الحالية.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
البحث عن الوصفة الكمومية المثالية
تخيل أنك تحاول خبز كعكة مثالية، ولكن بدلاً من الدقيق والسكر، فإن مكوناتك هي قوانين الفيزياء الأساسية. هذا هو عالم الحوسبة الكمومية، وهو مجال يستخدم فيه العلماء القواعد الغريبة والمتذبذبة للجسيمات المتناهية الصغر لحل مشكلات مستحيلة بالنسبة للحواسيب العادية. أحد أكبر التحديات في هذا المطبخ هو معرفة كيفية استقرار النظام الكمومي في حالته "الأرضية" الأكثر استقراراً، أو كيف يتصرف عندما يكون ساخناً ومتذبذباً (التوازن الحراري).
لإيجاد هذه الإجابات، يستخدم العلماء حيلة رياضية تسمى "التطور في الزمن التخيلي". لا تفكر في هذا كرحلة عبر الزمن، بل كمرشح سحري يقوم بتصريف كل الطاقة المثارة الفوضوية من النظام ببطء حتى لا يتبقى سوى الحالة الأرضية الهادئة والمثالية. الأمر يشبه ترك علبة صودا مهتزة حتى يتوقف الفوران ويصبح السائل ساكناً تماماً. المشكلة هي أن بناء هذا "المرشح" صعب للغاية على حاسوب حقيقي لأنه يتطلب القيام بأشياء لا تحدث بشكل طبيعي في العالم الكمومي، مثل عكس الزمن أو حذف المعلومات. كما أن الحواسيب الكمومية الحالية مليئة بالضجيج، مثل راديو به الكثير من التشويش، مما يجعل هذه الحسابات الدقيقة أكثر صعوبة. تتناول هذه الورقة البحثية السؤال التالي: كيف يمكننا استخدام آلاتنا الكمومية غير المثالية والمليئة بالضجيج اليوم لتشغيل هذا المرشح السحري والحصول على نتائج مفيدة دون الحاجة إلى حاسوب مثالي ومستقبلي؟
الفكرة الكبرى للورقة: الطبخ بوصفة "الاحتمالية شبه الممكنة"
ابتكر مؤلفو هذه الورقة، وهم فريق من الباحثين من كندا وفرنسا والولايات المتحدة، وصفة جديدة لتشغيل التطور في الزمن التخيلي على الحواسب الكمومية اليوم. مكونهم السري هو تقنية تسمى "تفكيك الاحتمالية شبه الممكنة"، والتي استعاروها من طريقة تُستخدم لإصلاح الأخطاء في الحواسيب الكمومية.
إليك كيفية عمل طريقتهم، باستخدام تشبيه بسيط: تخيل أنك تريد خبز كعكة تتطلب مكوناً خاصاً وغير موجود يسمى "دقيق وحيد القرن". لا يمكنك شراؤه، ولا يمكنك صنعه. ومع ذلك، فأنت تعلم أنك إذا خلطت كمية محددة من "الدقيق أ" (الذي تملكه) مع كمية محددة من "الدقيق ب" (الذي تملكه أيضاً)، ثم طبقت "علامة سحرية" خاصة على النتيجة، فستكون النتيجة تماماً مثل طعم دقيق وحيد القرن.
في العالم الكمومي، "دقيق وحيد القرن" هو عملية التطور في الزمن التخيلي. إنها حركة غير قياسية لا تستطيع الحواسيب الكمومية القيام بها مباشرة. لقد اكتشف المؤلفون كيفية تفكيك هذه الحركة المستحيلة إلى مزيج من الحركات القياسية الأصلية التي يمكن للحاسب الكمومي الخاص بهم القيام بها (مثل قلب مفتاح أو تدوير قرص). لكن هناك خدعة: لكي تنجح الرياضيات، يجب تعيين "احتمالات سالبة" لبعض هذه الحركات القياسية. في العالم الحقيقي، لا يمكنك الحصول على احتمال -50% لحدوث شيء ما، ولكن في عالم الرياضيات الكمومية، يمكنك ذلك.
تعمل الخوارزمية كالتالي:
- المزيج: يختار الحاسوب عشوائياً واحدة من الحركات القياسية من المزيج، بناءً على مقدار ما تحتاجه.
- العلامة السحرية: إذا اختار الحاسوب حركة لها وزن "سالب" في الوصفة، فإنه لا يتجاهلها فحسب. بدلاً من ذلك، يقوم بقلب إشارة النتيجة النهائية (مثل تغيير رقم موجب إلى سالب) لإلغاء الغرابة.
- التذوق: يقوم الحاسوب بتشغيل هذا المزيج العشوائي آلاف الممرات. ومن خلال متوسط جميع النتائج وتطبيق العلامات السحرية، تلغي الضوضاء والاحتمالات السالبة الغريبة بعضها البعض، تاركة وراءها الإجابة الحقيقية للتطور في الزمن التخيلي.
ما وجدوه وأثبتوه
تظهر الورقة أن هذه الطريقة تعمل بشكل جيد بشكل مدهش، حتى على الأجهزة المليئة بالضجيج. لم يكتف الباحثون بالحلم بها؛ بل اختبروها بطريقتين:
أولاً، قاموا بإجراء محاكاة على حاسوب كلاسيكي لمعرفة كيفية أداء الطريقة على نطاق أوسع. قاموا بمحاكاة إعداد حالات "الكم الصافي الحراري" (TPQ) لهاملتونيان هايزنبرج أحادي البعد (وهو نموذج يُستخدم لوصف المواد المغناطيسية) على أنظمة تصل إلى 8 كيوبتات. ووجدوا أن طريقتهم أنتجت نتائج تطابق القيم النظرية "المثالية" عن كثب، مع تناقص الخطأ كلما زاد عدد العينات.
ثانياً، نقلوا الطريقة إلى العالم الحقيقي. استخدموا حاسباً كمومياً فائق التوصيل مكوناً من 2 كيوبت مقدم من شركة IBM (يسمى ibm_manila). استخدموا خوارزميتهم لتقدير طاقة هاملتونيان هايزنبرج المكون من 2 كيوبت. كانت النتائج من الآلة المليئة بالضجيج قريبة جداً من القيم الدقيقة، مما يثبت أن الطريقة يمكنها التعامل مع "التشويش" في الأجهزة الواقعية دون الحاجة إلى أدوات إضافية لتصحيح الأخطاء.
لماذا يهم هذا الأمر (وما الذي لا يفعله)
الجزء الأكثر إثارة في هذا الاكتشاف هو ما لا تحتاجه الخوارزمية. تتطلب العديد من الطرق الكمومية الأخرى "كيوبتات مساعدة" (ancilla qubits) — وهي كيوبتات مساعدة إضافية تعمل كشبكة أمان. هذه الكيوبتات المساعدة مكلفة وصعبة الإدارة. لا تتطلب طريقة المؤلفين أي كيوبتات إضافية؛ فهي تعمل بالكامل على الكيوبتات التي تصف النظام بالفعل. وهذا يجعلها مثالية للجيل الحالي من الحواسيب الكمومية، وهي صغيرة ومليئة بالضجيج.
ومع ذلك، تشير الورقة بحذر إلى أن هذا ليس عصا سحرية تحل كل شيء فوراً:
- إنها محاكاة وعرض تجريبي صغير النطاق: النتائج واسعة النطاق (8 كيوبتات) كانت عمليات محاكاة حاسوبية، وليست تجارب أجريت على آلة حقيقية مكونة من 8 كيوبتات. أما اختبار الأجهزة الحقيقية فقد كان على 2 كيوبت فقط.
- تتطلب عينات أكثر: نظرًا لاستخدامهم خدعة "الاحتمالية السالبة" هذه، يتعين عليهم تشغيل التجربة لمرات أكثر بك die لالحصول على إجابة واضحة. توضح الورقة أن عدد العينات المطلوبة يزدز مع تعقيد المشكلة، لكنه لا يزال قابلاً للإدارة للأجهزة القريبة من الواقع.
- ليست تصحيحاً كاملاً للأخطاء: هذه تقنية "تخفيف للخطأ". فهي تساعد في تقليل الضجيج، لكنها لا تصلح الجهاز نفسه.
يقترح المؤلفون أنه بينما تعتبر طريقتهم رائعة لتقدير الخصائص الحرارية والحالات الأرضية على الأجهزة الحالية، فإن الخطوة التالية هي تجربتها على أنظمة أكبر (أكثر من 2 كيوبت) على آلات حقيقية. كما أشاروا إلى أنه إذا تمكنت الأجهزة المستقبلية من إيقاف الحساب مؤقتاً للتحقق من نتيجة القياس (القياس في منتصف الدائرة)، فقد تصبح الطريقة أكثر كفاءة من خلال عدم إضاعة الوقت في المحاولات الفاشلة.
باخت-القول، تقدم هذه الورقة طريقة ذكية وموفرة للموارد لاستخدام حواسيبنا الكمومية اليوم غير المثالية لمحاكاة كيفية تبريد الأنظمة الكمومية واستقرارها، مما يقربنا خطوة أخرى من فهم المواد المعقدة والتفاعلات الكيميائية دون انتظار وصول حاسوب كمومي مثالي وخالٍ من الأخطاء.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.