تعد الحوسبة الكمومية بحل مشكلات مستحيلة حالياً لأقوى حواسيبنا الفائقة، لكن بناء البرمجيات لتشغيل هذه الآلات مهمة هشة ومربكة. فخلافاً للحواسيب التقليدية، التي تعالج المعلومات كأدوات تبديل بسيطة (تشغيل أو إيقاف)، تستخدم الآلات الكمومية "الكيوبتات" (qubits) التي يمكن أن توجد في حالات متعددة في آن واحد. ولجعلها تعمل، يجب على المبرمجين بناء تسلسلات معقدة من العمليات، وغالباً ما يكتبون كوداً يتحدث مباشرة إلى فيزياء الآلة. ويتطلب هذا مزيجاً نادراً من المهارات: فهماً عميقاً لميكانيكا الكم، والقدرة على كتابة كود معقد، والإلمام بمشهد سريع التغير من أدوات البرمجيات المختلفة. لقد بنى كل قسم تكنولوجي كبير ومجموعة بحثية طريقتها الخاصة للتواصل مع الأجهزة الكمومية، باستخدام لغات وقواعد مختلفة. وهذا التجزؤ يجعل من الصعب معرفة ما إذا كانت النتيجة صحيحة، لأن الخطأ قد يكون في الكود، أو في الأداة المستخدمة لكتابته، أو في الآلة نفسها.

لقد طور فريق من الباحثين من البرازيل طريقة جديدة للتنقل في هذا التعقيد، حيث يعاملون البرمجيات الكمومية مثل تدفق المياه عبر سلسلة من الأنابيب بدلاً من كونها جداراً من النصوص التي يجب كتابتها. لقد أنشأوا نظاماً يسمى "كوانيفاي" (Quanifi)، يتيح للمستخدمين بناء برامج كمومية عن طريق سحب وإسقاط كتل جاهزة على شاشة مرئية، تماماً مثل تجميع لوحة دوائر كهربائية دون الحاجة أبداً إلى لحام سلك. وتكمن عبقرية نهجهم في كيفية اختبار هذه البرامج؛ فبدلاً من تشغيل نسخة واحدة من عملية حسابية على آلة واحدة، يقوم نظامهم بتشغيل المشكلة نفسها في وقت واحد عبر ثلاث أدوات برمجية مختلفة وعلى ثلاثة حواسيب كمومية مختلفة. وهذا يخلق شبكة من النتائج حيث يتم اختبار كل تركيبة ممكنة في وقت واحد. وإذا اختلفت الإجابات، يمكن للنظام تحديد مكان وقوع الخطأ بدقة: هل كان في الأداة البرمجية، أم في جهاز الكمبيوتر، أم في الاقتران المحدد بينهما؟

استخدم الباحثون هذه الطريقة لتشغيل خوارزمية بحث كلاسيكية، تُعرف باسم "خوارزمية غروفر"، وهي مصممة للعثور على عنصر محدد في قائمة كبيرة. لقد بنوا نفس روتين البحث باستخدام ثلاثة أطر عمل برمجية مختلفة — Qiskit وCirq وPennyLane — وأرسلوها إلى ثلاثة حواسيب كمومية تقع في أجزاء مختلفة من العالم: واحد من IBM، وواحد من IQM، وواحد من Quantum Inspire. ومن خلال مقارنة النتائج لهذه المسارات التسعة المختلفة، تمكنوا من رصد التناقضات التي كانت ستظل غير مرئية لو نظروا إلى نتيجة واحدة فقط. هذه العملية، التي يسمونها تنفيذ (N×M)، تعمل كشبكة أمان قوية، تكشف العيوب الخفية في المنظومة الكاملة للحوسبة الكمومية.

كشف التحقيق عن ثلاثة عيوب حقيقية في الأدوات والآلات المستخدمة في هذا المجال. تم العثً على المشكلة الأولى في آلة من Quantum Inspire؛ فعندما استخدم الباحثون إطار العمل البرمجي Cirq، أعادت الآلة باستمرار إجابة خاطئة، حيث قامت بقلب بتات (bits) النتيجة. ومع ذلك، عمل نفس البرنامج بشكل مثالي على الكمبيوترين الآخرين، وعملت أطر العمل البرمجية الأخرى بشكل جيد على تلك الآلة المحددة. هذا الفشل المحدد أشار إلى مشكلة في كيفية ترجمة "المحول" (adapter) الخاص بالآلة لتعليمات Cirq. وتبين أن المحول كان يستخدم نوعاً معيناً من بوابات الدوران باتجاه خاطئ، مما أدى فعلياً إلى تدوير الكيوبتات في الاتجاه المعاكس لما ينبغي. وقد أكد الباحثون ذلك من خلال محاكاة الخطأ ثم أبلغوا المزود به.

تضمن العيب الثاني نفس آلة Quantum Inspire؛ حيث ادعى المحول البرمجي أن الآلة يمكنها تنفيذ عمليات معقدة معينة لا تستطيع القيام بها في الواقع. وعندما حاول الباحثون استخدام هذه العمليات غير المدعومة، فشلت الآلة بصمت، منتجة إجابات خاطئة دون إطلاق أي إنذارات. وسلط هذا الضوء على الفجوة بين ما يقول البرنامج إن الآلة يمكنها فعله وما يمكنها فعله حقاً. أما الاكتشاف الثالث، وربما الأكثر أهمية، فقد تعلق بخدمة سحابية تسمى "أوبن كوانتوم" (Open Quantum)، والتي تعمل كوسيط يسمح للمستخدمين بالوصول إلى حواسيب كمومية مختلفة من خلال واجهة واحدة. أرسل الباحثون ملفات الدائرة نفسها تماماً إلى آلة عبر كل من الاتصال المباشر وهذه الخدمة السحابية؛ وبينما كان الاتصال المباشر يعمل، أعادت الخدمة السحابية نتائج غير صحيحة لأنواع معينة من الدوائر. كان الخطأ دقيقاً: كانت الخدمة تقوم بصمت بإزالة خطوات دوران محددة من التعليمات، مما يغير الحساب دون إخطار المستخدم. وقد أكد المزود خطأ التحليل (parsing error) هذا وقام بإصلاحه بعد فترة وجيزة من التقرير.

إن قيمة هذا العمل لا تكمن فقط في إيجاد هذه الأخطاء، بل في المنهجية المستخدمة لإيجادها. فمن خلال تشغيل كل تركيبة من البرمجيات والأجهزة في الوقت نفسه، أنشأ الباحثون خريطة للموثوقية أظهرت بالضبط أين يتعطل النظام. وجدوا أن بعض الأدوات تعمل جيداً على بعض الآلات ولكنها تفشل في أخرى، وأن بعض الخدمات السحابية تسبب أخطاءً يستحيل اكتشافها إذا نظرت فقط إلى النتيجة النهائية. لا يتطلب هذا النهج من المستخدم أن يكون خبيراً في الفيزياء الكمومية أو أن يكتب كوداً معقداً؛ بل يتطلب ببساطة تجميع الكتل وترك النظام يقارن النتائج. وأشار الباحثون إلى أنه بينما كانت نسخ الاختبار ذات الأربعة كيوبتات (four-qubit) مليئة بالضجيج في بعض الآلات لدرجة تمنع استخلاص استنتاجات حازمة، فإن اختبارات الكيوبتين (two-qubit) كانت واضحة وحاسمة.

تُظهر هذه الدراسة أن الطريق نحو حوسبة كمومية موثوقة يتطلب أكثر من مجرد أجهزة أفضل؛ إنه يتطلب طريقة للتحقق من أن البرمجيات والأجهزة تعمل معاً بشكل صحيح. لقد أظهر الباحثون أنه من خلال معاملة أطر العمل البرمجية المختلفة والحواسيب الكمومية المختلفة كنسخ مستقلة من الاختبار نفسه، تمكنوا من عزل الإخفاقات التي كانت ستظل مخفية لولا ذلك. لقد أبلغوا عن جميع العيوب الثلاثة التي وجدوها، وقد أكد مزود الخدمة السحابية بالفعل خطأه وقام بتصحيحه. أما القضيتان الأخريان المتعلقتان بمحول Quantum Inspire فلا تزالان قيد المراجعة. ويشير هذا العمل إلى أنه مع انتقال الحوسبة الكمومية من المختبر إلى العالم الحقيقي، سيكون هذا النوع من التدقيق المتقاطع ضرورياً لضمان أن الإجابات التي نحصل عليها هي إجابات صحيحة بالفعل.