Comparing Quantum Annealing and BF-DCQO

في السباق لحل أصعب الألغاز في العالم، نظر العلماء لفترة طويلة إلى السلوك الغريب لعالم الكم بحثاً عن ميزة. وقد برز نهجان رئيسيان لتسخير هذه القوة؛ الأول هو التلدين الكمي (quantum annealing)، وهو أسلوب يتم فيه توجيه الآلة ببطء من نقطة بداية بسيطة إلى وجهة معقدة، مما يسمح للنظام بالاستقرار طبيعياً في أفضل حل ممكن، تماماً مثل كرة تتدحرج من منحدر لتجد أدنى وادٍ. أما النهج الثاني فيتضمن الحواسيب الكمية ذات النموذج البوابي (gate-model quantum computers)، والتي تعالج المعلومات في خطوات منفصلة باستخدام بوابات منطقية، بشكل يشبه كيفية معالجة الحاسوب التقليدي للبيانات ولكن مع القدرة المضافة على الوجود في حالات متعددة في آن واحد. ومؤخراً، اقترح باحثون تقنية هجينة تجمع بين هذين العالمين، باستخدام حاسوب كلاسيكي لتوجيه معالج كمي ذي نموذج بوابي عبر سلسلة من الخطوات لحل مشكلات الأمثلة (optimization problems). وقد زُعم أن هذه الطريقة، المعروفة باسم "الأمثلة الكمية مضادة التماثل الرقمية ذات مجال الانحياز" (bias-field digitized counterdiabatic quantum optimization)، تتفوق على آلات التلدين الكمي الموجودة. ومع ذلك، يشير تحليل جديد إلى أن القصة مختلفة تماماً، حيث كشف أن الجزء الكمي من هذا النظام الهجين قد لا يقوم إلا بالقليل جداً من العمل الفعلي.

لقد وضع فريق من الباحثين من شركة "دي ويف كوانتوم" (D-Wave Quantum) هدفاً لاختبار هذه الادعاءات من خلال المقارنة المباشرة بين أداء أجهزة التلدين الكمي الخاصة بهم وبين الخوارزمية الهجينة. وركزوا على نوع محدد من المشكلات حيث يكون الهدف هو إيجاد حالة الطاقة الأدنى من بين عدد هائل من الاحتمالات، وهي مهمة شائعة في مجالات اللوجستيات، والتمويل، وعلوم المواد. تستخدم الطريقة الهجينة المعنية حلقة تغذية راجعة حيث يقوم حاسوب كلاسيكي بتحليل نتائج تشغيل كمي ثم يعدل الإعدادات للتشغيل التالي، مما يوجه النظام تدريجياً نحو إجابة أفضل. وقد أفاد المروجون الأصليون لهذه الطة أنها تفوقت على آلات "دي ويف". غير أن الدراسة الجديدة وجدت العكس تماماً؛ فعندما قام الباحثون بتشغيل نفس المشكلات على أجهزة التلدين الكمي من "دي ويف"، وجدت الآلات حلولاً ذات جودة أعلى بكثير وفي جزء بسيط من الوقت.

ولفهم سبب احتمال المبالغة في تقدير الطريقة الهجينة، قدم الباحثون اختبار تحكم بسيطاً؛ حيث استبدلوا الحاسوب الكمي في سير العمل الهجين بروتين كلاسيكي أساسي للغاية، وهو روتين "غبي" يقوم ببساطة بقلب البتات (bits) لتحسين الحل واحداً تلو الآخر. ومن المثير للدهشة أن هذا البديل الكلاسيكي التافه أدى بشكل جيد بقدر، بل وأفضل غالباً، من النظام الهجين المعقد الذي يتضمن المعالج الكمي. تشير هذه النتيجة إلى أن المكون الكمي في النهج الهجين لم يكن يساهم بشكل كبير في جودة الإجابات. وبدلاً من ذلك، من المرجح أن التحسينات كانت تأتي من قدرة الحاسوب الكلاسيكي على صقل وتوجيه عملية البحث، مما يعني أنه كان يقوم بالعمل الشاق بينما لعبت الآلة الكمية دوراً ثانوياً، وربداً حتى دوراً سلبياً.

كما فحصت الدراسة الوقت المستغرق للوصول إلى هذه الحلول، وهو عامل غالباً ما يتم التغاضي عنه في ادعاءات الأداء. وحسب الباحثون أن تشغيل الخوارزمية الهجينة على حاسوب كمي ذي نموذج بوابي سيستغرق وقتاً أطول بعشرات المرات من تشغيل نفس المشكلة على جهاز تلدين كمي. فعلى سبيل المثال، في الاختبارات التي تضمنت أنواعاً محددة من المشكلات المعقدة، أكمل جهاز التلدين المهمة في أقل من ثانية، بينما كانت الطريقة الهجينة، حتى مع التقديرات المتفائلة، ستتطلب دقيقة أو أكثر. هذا الفرق الهائل في السرعة، مقترناً بالنتيجة التي تفيد بأن الجزء الكمي من النظام الهجين يضيف قيمة ضئيلة، يشير إلى أن نهج التلدين يظل الأداة الأكثر كفاءة لهذه التحديات التحسينية المحددة.

لقد حرص الباحثون على ضمان أن تكون مقارنتهم عادلة وقابلة للتكرار. وأشاروا إلى أن الدراسات الأصلية التي زعمت تفوق الطريقة الهجينة لم تشارك بياناتها الخام، لذا قام الفريق بإنشاء مجموعات المشكلات الخاصة بهم بناءً على الأوصاف المنشورة. واختبروا هذه المشكلات على الجيل الأحدث من أجهزة "دي ويف" التي تحتوي على آلاف الكيوبتات (qubits)، مما سمح لهم بحل مشكلات كانت أكبر من السابق. وفي كل حالة، أعاد جهاز التلدين الكمي حلولاً أفضل وبسرعة أكبر. وتخلص الدراسة إلى أنه بينما تعد الخوارزميات الهجينة مجالاً مثيراً للاهتمام للبحث، فإن الادعاءات المحددة بالتفوق لهذه الطريقة بعينها لم تدعمها الأدلة. فقد أثبت جهاز التلدين الكمي، من خلال بقائه بالقرب من حالته الأرضية والتطور ببطء، أنه حلّال أكثر قوة وسرعة للمشكلات التي تم اختبارها، بينما بدا أن النهج الهجين يعتمد بشكل كبير على حيل الحوسبة الكلاسيكية التي يمكن تكرارها دون الحاجة إلى أي أجهزة كمية على الإطلاق.