SUTURE: Syndrome-Guided Repair for Segmented Feasibility-Preserving VQAs on Noisy Hardware
تقدم الورقة البحثية SUTURE، وهو وقت تشغيل للإصلاح موجه بالمتلازمة للخوارزميات الكمومية التباينية المجزأة والمحافظة على الجدوى، والذي يستبدل استبعاد القياس بالتصحيح القائم على القيود، مما يتيح التنفيذ الناجح لـ 72 كيوبت على أجهزة IBM Heron الصاخبة حيث تفشل طرق التنقية التقليدية.
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
في عالم الحوسبة، هناك مشكلات صعبة للغاية في حلها؛ فهي تتضمن اتخاذ عدد هائل من الخيارات، حيث يجب أن يتوافق كل خيار بدقة مع قائمة طويلة من القواعد الصارمة. فكر في الأمر كمحاولة جدولة ألف رحلة طيران بحيث لا يستخدم طائرتان نفس المدرج في الوقت نفسه، أو ترتيب محفظة مالية حيث يجب أن يستوفي كل استثمار حدوداً قانونية محددة. تُعرف هذه المشكلات باسم مشكلات التحسين المقيد (constrained optimization problems). لعقود من الزمن، عانت الحواسيب الكلاسيكية في حلها لأن عدد التشكيلات الممكنة ينمو بسرعة كبيرة لدرجة أن فحص كل واحدة منها يصبح مستحيلاً. وتوفر الحواسيب الكمومية مساراً مختلفاً للمضي قدماً؛ فمن خلال استخدام القوانين الفيزيائية الغريبة التي تحكم الذرات، يمكنها استكشاف العديد من الاحتمالات في وقت واحد. ومع ذلك، فإن هذه الآلات هشة للغاية في الوقت الحالي، إذ يتسبب أدنى اضطراب ناتج عن الحرارة أو الاهتزاز في ارتكاب أخطاء، مما يؤدي غالباً إلى إنتاج إجابات تخرق القواعد التي كانت تحاول اتباعها.
يخلق هذا الهشاشة عائقاً محدداً لنوع شائع من الخوارزميات الكمومية المصممة لحل هذه المشكلات الصعبة. تعمل هذه الخوارزميات في نبضات قصيرة، أو مقاطع. وبعد كل نبضة، تقيس الآلة نتيجتها وتستخدم تلك النتيجة لبدء النبضة التالية. وإذا كان القياس خاطئاً — أي إذا انتهك القواعد — يجب أن تتوقف العملية برمتها، لأن الخطوة التالية لا يمكن أن تبدأ من أساس مكسور. وفي ظل وجود آلاتنا الصاخبة اليوم، تحدث هذه الأخطاء بشكل متكرر لدرجة أن العملية غالباً ما تنتهي قبل أن تكتمل، مما يترك الباحثين دون أي إجابة على الإطلاق. وقد طور فريق من الباحثين في جامعة بوكيونغ الوطنية في كوريا الجنوبية طريقة جديدة لإبقاء هذه التجارب الكمومية حية، أطلقوا عليها اسم "SUTURE". فبدلاً من التخلص من نتيجة مكسورة وإيقاف التجربة، يعمل نظام SUTURE مثل ميكانيكي ماهر يمكنه النظر إلى جزء تالف، ومعرفة ما حدث بالضبط، وإصلاحه بما يكفي للسماح للآلة بالاستمرار في العمل.
اختبر الباحثون هذه الفكرة على حاسوب كمومي حقيقي من صنع شركة IBM، وتحديداً طراز يسمى "Heron". وفي إحدى أكثر اختباراتهم تطلباً، حاولوا حل مشكلة تلوين الرسم البياني (graph coloring problem)، وهي تشبه محاولة تلوين خريطة بحيث لا تشترك منطقتان متجاورتان في نفس اللون. لقد أعدوا تجربة باستخدام 72 بت كمومي (qubits)، وهو حجم يدفع حدود التكنولوجيا الحالية. وتحت النهج القياسي، الذي يقوم ببساطة باستبعاد أي نتيجة تخرق القواعد، فشلت التجربة في معظم الأحيان. فمن بين اثنتي عشرة محاولة منفصلة، توقفت إحدى عشرة منها عن العمل قبل أن تكمل حتى ربع الخطوات المطلوبة. كانت الآلة تنتج نتائج، لكن القواعد كانت صارمة جداً والضجيج عالياً جداً لدرجة أنه لم تنجُ أي نتيجة صالحة لفترة كافية لاستخدامها.
غير نظام SUTURE هذه النتيجة تماماً. فعندما تنتج الآلة نتيجة تخرق القواعد، لا يقوم النظام بالتخلص منها، بل يحلل الخطأ لمعرفة أي قواعد محددة قد تم انتهاكها. ولأن المشكلة نفسها تحتوي على بنية خفية، فإن هذه الانتهاكات تعمل كإشارة، تشير مباشرة إلى المتغيرات القليلة التي يُحتمل أن تكون خاطئة. ثم يبحث النظام عن إصلاح بسيط، عبر قلب بت واحد أو اثنين لجعل النتيجة صالحة مرة أخرى، ومن ثم يغذي هذه النتيجة المُصلحة مرة أخرى في الآلة لبدء الجزء التالي. وفي نفس تجربة الـ 72 بت كمومي التي فشلت فيها الطريقة القديمة إحدى عشرة مرة، نجح SUTURE في جميع المرات الاثنتي عشرة، وأكمل كل جزء دون توقف.
لم يكن هذا النجاح يتعلق فقط بإبقاء الآلة تعمل، بل كان يتعلق أيضاً بإيجاد إجابات أفضل. ففي عمليات المحاكاة التي توسعت لتصل إلى 120 بت كمومي، استمرت طريقة الإصلاح في العمل لفترة طويلة بعد أن استسلمت الطريقة القياسية. ووجد الباحثون أن هناك نقطة محددة يصبح فيها الضجيج ثقيلاً لدرجة أن التخلص من الأخطاء لم يعد استراتيجية قابلة للتطبيق؛ فدون تلك النقطة، تكون الطريقة القديمة جيدة، ولكن بمجرد أن يتجاوز الضجيج ذلك الحد، يصبح نهج الإصلاح ضرورياً، فهو يسمح للحاسوب الكمومي بالبقاء في بيئات كان ليكون فيها عديم الفائدة لولا ذلك.
كما قاس الفريق مقدار الوقت الذي تستغرقه عملية الإصلاح هذه، ووجدوا أن الحساب الإضافي المطلوب لإصلاح الأخطاء كان سريعاً للغاية. ففي اختبارات التوقيت الخاصة بهم، لم تضف خطوة الإصلاح سوى حوالي واحد ونصف بالمائة فقط إلى إجمالي الوقت الذي تقضيه الآلة في العمل. وهذا يعني أن النظام لا يبطئ الحاسوب الكمومي، بل يمنعه فقط من الانهيار. تعمل الطريقة من خلال استخدام قواعد المشكلة نفسها كدليل؛ فتماماً كما يستخدم حلال ألغاز الكلمات المتقاطعة الحروف المتقاطعة لمعرفة كلمة مفقودة، يستخدم SUTURE القيود المنتهكة لتحديد وتصحيح الأخطاء. وهو يفعل ذلك دون الحاجة إلى معرفة الهدف النهائي للمشكلة، معتمداً فقط على القواعد نفسها.
اختبر الباحثون هذا النهج على مجموعة متنوعة من المشكلات، بما في ذلك تحديد موقع المرافق (facility location)، وتغطية المجموعة (set covering)، وأنواع مختلفة من التقسيم (partitioning)، والتي تراوحت بين 15 إلى 120 بت كمومي. وفي كل حالة تقريباً، استطاع النظام التنبؤ بما إذا كانت المشكلة مناسبة لهذا النوع من الإصلاح قبل بدء التجربة حتى. واكتشفوا أنه بالنسبة لأنواع معينة من المشكلات، تميل الأخطاء إلى البقاء موضعية، مما يؤثر فقط على جزء صغير من الحل، مما يجعل إصلاحها سهلاً. أما بالنسبة للأنواع الأخرى، فتكون الأخطاء أكثر انتشاراً، ويعرف النظام حينها ضرورة تجنب إضاعة الوقت في محاولة إصلاحها. وتعد هذه القدرة على التمييز بين المشكلات القابلة للإصلاح وغير القابلة للإصلاح جزءاً حاسماً من تصميم النظام.
وما يجعل هذا العمل مهماً بشكل خاص هو أنه تم إثباته على أجهزة حقيقية وموجودة بالفعل، وليس مجرد محاكاة حاسوبية. وقد أظهرت النتائج أن الطريقة قوية بما يكفي للتعامل مع الضجيج غير المتوقع لآلة كمومية فيزيائية. كما أثبت الباحثون أن التحسينات التي رأوها لم تكن مجرد صدفة سعيدة أو نتيجة قيام الحاسوب الكلاسيكي بكل العمل؛ فقد أجروا اختبارات ضبط حيث قاموا بتغذية النظام بضجيج عشوائي، وفشل النظام في إنتاج إجابات جيدة، مما أثبت أن جودة النتائج جاءت من الآلة الكمومية نفسها، مع عمل نظام الإصلاح كشبكة أمان.
ويخلص البحث إلى أن هذا النهج يقدم طريقة عملية لإطالة عمر التجارب الكمومية على الأجهزة الصاخبة اليوم. فهو لا يتطلب بناء نوع جديد من الحواسيب أو انتظار آلات مثالية خالية من الأخطاء، بل يستخدم المعلومات الموجودة بالفعل في المشكلة للتعافي من الأخطاء في الوقت الفعلي. ومن خلال تحويل قواعد المشكلة إلى أداة للتعافي، وجد الباحثون طريقة للحفاظ على سلسلة الأحداث الكمومية دون انقطاع. وهذا يسمح للعلماء بإجراء تجارب أطول وأكثر تعقيداً كانت مستحيلة في السابق، مما يقربنا خطوة أخرى من حل أصعب مشكلات التحسين التي لا تستطيع الحواسيب الكلاسيكية التعامل معها. إن الطريقة ليست حلاً سحرياً لجميع الأخطاء، لكنها وسيلة موثوقة لإبقاء العملية مستمرة عندما يكون الضجيج سبباً في إيقافها، مما يفتح نافذة جديدة للاكتشاف في مجال الحوسبة الكمومية.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.