Analyzing Common Electronic Structure Theory Algorithms for Distributed Quantum Computing

إن السعي لفهم كيفية ترابط الذرات لتكوين الجزيئات هو أحد التحديات الأكثر جوهرية في العلم. ولتحقيق ذلك، يحل الباحثون مسألة رياضية معقدة تُعرف باسم معادلة شرودنجر، والتي تصف سلوك الإلكترونات وهي تدور حول النوى الذرية. لعقود من الزمن، اعتمد العلماء على حواسيب كلاسيكية قوية لتقريب هذه الحلول، ولكن مع زيادة حجم الجزيئات وتعقيدها، تصبح الحسابات ضخمة للغاية لدرجة أن أسرع الحواسيب الفائقة في العالم تجد صعوبة في التعامل معها. وهنا يأتي دور الحوسبة الكمومية في القصة. فخلافًا للحواسيب الكلاسيكية التي تعالج المعلومات في شكل بتات (bits)، تستخدم الحواسيب الكمومية البتات الكمومية، أو الكيوبتات (qubits)، والتي يمكن أن توجد في حالات متعددة في آن واحد. وتوفر هذه الخاصية الفريدة إمكانية محاكاة التفاعلات الكيميائية بسرعة ودقة لا تستطيع الآلات الكلاسيكية مضاهاتها، مما يبشر بطفرات في اكتشاف الأدوية وعلم المواد. ومع ذلك، لا تزال الآلات الكمومية الحالية صغيرة وعرضة للأخطاء، حيث لا تضم سوى عدد قليل من الكيوبتات. ولمواجهة مشكلات الكيمياء الواقعية التي تتطلب مئات أو آلاف الكيوبتات، يستكشف الباحثون استراتيجية تسمى الحوسبة الكمومية الموزعة. ويتضمن هذا النهج تقسيم عملية حسابية هائلة عبر عدة أجهزة كمومية أصغر، وربطها معًا لتعمل كآلة واحدة أكبر.

قام فريق من الباحثين في جامعة تورنتو مؤخرًا باختبار هذه الفكرة من خلال فحص خمس طرق شائعة تُستخدم لمحاكاة الهياكل الكيميائية على الحواسيب الكمومية. وكان هدفهم هو تحديد ما إذا كان من الممكن تقسيم هذه الخوارزميات المحددة وتشغيلها عبر أجهزة متعددة باستخدام تقنية تسمى "قطع الدائرة" (circuit cutting). في هذه العملية، يتم تقطيع دائرة كمومية واحدة إلى قطع أصغر يمكن تشغيلها على آلات منفصلة، ثم يتم دمج النتائج لاحقًا. وركز الباحثون على طريقة محددة للقيام بذلك تسمى العمليات المحلية (local operations)، والتي تعتمد على عمل الأجهزة بشكل مستقل دون الحاجة إلى إرسال إشارات معقدة ذهابًا وإيابًا أثناء الحساب. وقد اختبروا هذه الطرق على جزيء بسيط، وهو الهيدروجين، ثم انتقلوا إلى سلاسل أطول من ذرات الهيدروجين لمعرفة كيف يزداد التعقيد. وقد أُجريت الدراسة من خلال عمليات محاكاة حاسوبية مفصلة، حيث لم يكن لدى الباحثين إمكانية الوصول إلى شبكة من الحواسيب الكمومية المرتبطة بما يكفي لتشغيل التجارب الكاملة بأنفسهم.

كانت نتائج هذا التحقيق صارخة وكشفت عن عقبة كبيرة أمام مستقبل الكيمياء الكمومية الموزعة. فقد وجد الباحثون أن أربعًا من الطرق الخمس التي اختبروها، والتي تُعتبر حاليًا أدوات قياسية في هذا المجال، ستكون غير فعالة للغاية إذا تم تقسيمها عبر أجهزة متعددة. فعندما حاولوا قطع الدوائر لهذه الطرق، انفجر عدد المرات التي سيحتاجون فيها إلى تشغيل التجربة للحصول على إجابة موثوقة إلى التريليونات أو الكوادريليونات أو حتى أكثر من ذلك. على سبيل المثال، إحدى الطرق الأكثر شيوعًا، عند تطبيقها على جزيء هيدروجين صغير، ستتطلب تشغيل الحساب حوالي 1.5 مضروبة في 10 أس 17 مرة فقط لمطابقة دقة تشغيل واحد على آلة غير مقطوعة. ولوضع ذلك في الاعتبار، إذا استغرق التشغيل الواحد ثانية واحدة، فإن النسخة الموزعة ستستغرق وقتًا أطول من عمر الكون لاكتمالها. يحدث هذا الارتفاع الهائل في الجهد المطلوب، والمعروف باسم "عبء المعاينة" (sampling overhead)، لأن الطريقة التي بُنيت بها هذه الخوارزميات تخلق شبكة من الاتصالات التي لا يمكن كسرها بسهولة دون فقدان المعلومات الأساسية اللازمة لحل المشكلة.

في المقابل، تصرفت الطريقة الخامسة التي فحصوها، والمعروفة باسم "local unitary cluster Jastrow ansatz"، بشكل مختلف تمامًا. فقد أظهر هذا النهج نموًا أكثر قابلية للإدارة في الصعوبة مع زيادة حجم النظام. فعندما طبق الباحثون نفس تقنية التقسيم على هذه الطريقة، ظل عدد التشغيلات الإضافية المطلوبة صغيرًا ومعقولًا، حتى وهم يحاكون سلاسل أكبر من ذرات الهيدروجين. وبالنسبة لأكبر الأنظمة التي اختبروها، كان العبء منخفضًا بما يكفي بحيث يمكن التعامل معه بواسطة الأجهزة الكمومية الحالية أو القريبة من المستقبل. ويشير هذا إلى أنه بينما تعد الخوارزميات الأكثر شيوعًا للكيمياء الكمومية غير مناسبة حاليًا ليتم توزيعها عبر عدة آلات، إلا أن هناك مسارًا واحدًا على الأقل لا يصطدم بجدار التعقيد الأسي. وتوضح النتائج أن المجتمع العلمي لا يمكنه ببساطة أخذ برمجيات الكيمياء الكمومية الموجودة وتشغيلها على شبكة من الحواسيب الكمومية الصغيرة؛ إذ إن الهياكل الرياضية الأساسية للطرق الأكثر شيوعًا صلبة للغاية بحيث لا يمكن تفكيكها بكفاءة.

تخلص الدراسة إلى أنه لكي تصبح الحوسبة الكمومية الموزعة واقعًا عمليًا للكيمياء، يجب على العلماء تطوير خوارزميات جديدة تمامًا مصممة من الأساس لتكون قابلة للتقسيم. إن طرق "المعيار الذهبي" الحالية، التي تعمل جيدًا على آلة واحدة كبيرة، تفشل عندما تُجبر على العمل ضمن إطار موزع لأن تكلفة إعادة تجميع القطع المكسورة تصبح مرتفعة جدًا. ويؤكد الباحثون أن عملهم لا يعني أن الحوسبة الكمومية الموزعة مستحيلة، بل يعني أن الأدوات المتاحة حاليًا ليست هي الأدوات المناسبة للمهمة. ومن خلال تحديد الطرق التي تفشل وتلك التي تبدي واعدًا، يوفر هذا البحث اتجاهًا واضحًا للتطوير المستقبلي. ويشير إلى أن المسار لحل المشكلات الكيميائية المعقدة على شبكة من الأجهزة الكمومية سيتطلب ابتكار طرق جديدة لوصف سلوك الإلكترونات، بدلاً من محاولة فرض الطرق القديمة على بنية جديدة. والأمل هو أنه من خلال التركيز على الطرق التي أدت أداءً جيدًا في هذه الدراسة، يمكن للمجال في النهاية أن يطلق العنان للإمكانات الكاملة لقوة الحوسبة الكمومية الموزعة من أجل الاكتشاف العلمي.