Leveraging verifiable structure in quantum circuits to find more efficient compilations with agentic AI
تقترح هذه الورقة نموذجاً مدفوعاً بالذكاء الاصطناعي لتحسين تجميع الدارات الكمومية عبر تقييد الروتينات الفرعية التي تشكل عنق الزجاجة بهياكل قابلة للتحقق كلاسيكياً، مما يتيح شهادة اختبار الفحص العشوائي بكفاءة ويثبت فائدته عبر تطبيقات في الاندماج بالحصر العطالي، والتداخل الكمومي، والمحاكاة الكيميائية.
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
تعد الحواسيب الكمومية بحل مشكلات مستعصية على الآلات الحالية، بدءاً من تصميم مواد جديدة وصولاً إلى نمذجة التفاعلات الكيميائية المعقدة. ولتحقيق ذلك، يجب عليها تشغيل خوارزميات تتلاعب بالمعلومات بطرق تتحدى المنطق المعتاد. ومع ذلك، فإن تحويل خوارزمية نظرية إلى برنامج يعمل على آلة كمومية يعد مهمة هندسية بالغة الصعوبة؛ فهي تتطلب تفكيك عملية حسابية معقدة إلى تسلسل طويل من التعليمات البسيطة، تماماً مثل ترجمة رواية إلى سلسلة من الخطوات الصغيرة والدقيقة. وتكمن المشكلة في أن عدد الطرق الممكنة لترتيب هذه الخطوات هائل لدرجة أن فحصها جميعاً يدوياً أمر مستحيل، وفحصها باستخدام حاسوب غالباً ما يكون بطيئاً جداً لأن الحسابات تزدية تعقيداً بشكل أسي. ولفترة طويلة، اضطر الباحثون إلى تحسين هذه التعليمات يدوياً، وهي عملية بطيئة وعرضة لتفويت الحلول الأفضل.
قدم فريق من الباحثين في "جوجل كوانتوم إيه آي" (Google Quantum AI) طريقة جديدة لتسريع هذه العملية عبر الجمع بين الذكاء الاصطناعي وحيلة ذكية من التحقق. فقد طوروا نظاماً يمكن فيه لوكلاء الذكاء الاصطناعي اقتراح طرق جديدة لبناء الدوائر الكمومية بسرعة، ولكن فقط لنوع محدد من الحسابات التي تمتلك بنية يمكن التنبؤ بها. ولأن هذه الحسابات المحددة تسلك سلوكاً يمكن لحاسوب قياسي تتبعه بسهء، فقد ابتكر الفريق طريقة اختبار سريعة تتحقق مما إذا كان الدائرة المقترحة من قبل الذكاء الاصطناعي تعمل بشكل صحيح دون الحاجة إلى محاكاة التعقيد الكامل المستحيل لآلة كمومية. ويسمح هذا النهج بإطلاق مسابقة عامة حيث يمكن لأي شخص استخدام الذكاء الاصطناعي لإيجاد طرق أكثر كفاءة لتشغيل ثلاث خوارزميات كمومية حاسمة: واحدة لمحاكاة طاقة الاندماج، وأخرى لنوع معين من التحسين الرياضي، وثالثة لنمذجة التفاعلات الكيميائية.
يعتمد جوهر هذا العمل على فئة محددة من التعليمات الكمومية يسميها الباحثون دوائر "كيك ميكس" (kickmix). في الحاسوب الكمومي العام، يمكن للجسيمات أن توجد في حالات عديدة في آن واحد، مما يخلق حالة من "التراكب" تجعل النظام قوياً للغاية ولكنها تجعله أيضاً صعب المحاكاة للغاية على حاسوب عادي. ومع ذلك، فإن العديد من الأجزاء الأكثر تكلفة في الخوارواتم الكمومية لا تستخدم في الواقع كامل قوة هذا التراكب؛ بل تعتمد بدلاً من ذلك على المنطق القابل للعكس، وإزاحات الطور البسيطة، والقياسات التي يمكن تتبعها بواسطة حاسوب كلاسيكي إذا كانت المدخلات معروفة. وقد أدرك الباحثون أنه إذا تمكنوا من قصر بحثهم على هذه الدوائر المحددة والقابلة للتحقق، فيمكنهم استخدام حاسوب قياسي للتحقق مما إذا كان حل الذكاء الاصطناعي صحيحاً في جزء من الثانية. وهذا يمثل تحسناً هائلاً مقارنة بالطريقة المعتادة، التي قد تستغرق سنوات للتحقق من دائرة مرشحة واحدة على آلة كلاسيكية.
ولجعل عملية التحقق هذه قوية وآمنة، استخدم الفريق تقنية تسمى "خوارزمية فيات-شامير" (Fiat-Shamir heuristic). في المسابقات التقليدية، قد يمتلك الحَكَم قائمة سرية من إجابات الاختبار للتحقق من عمل المتسابق، وإذا عرف المتسابق القائمة، فقد يكتفي بمجرد حفظ الإجابات بدلاً من حل المشكلة. وقد تجنب الباحثون ذلك عن طريق توليد مدخلات الاختبار بطريقة تعتمد على الدائرة نفسها؛ حيث يأخذون الملف الرقمي للدائرة، ويحولونه إلى رمز فريد (hash)، ثم يستخدمون هذا الرمز لإنشاء مجموعة عشوائية من حالات الاختبار. وهذا يعني أنه في كل مرة يغير فيها المشارك دائرته، ولو بشكل طفيف، تتغير حالات الاختبار تماماً. لا يمكن للذكاء الاصطناعي تجاوز المنطق عبر حفظ الإجابات؛ بل يجب عليه فعلياً فهم منطق المشكلة لاجتياز الاختبار. وهذا يسمح للباحثين بالتحقق من دوائر تحتوي على مليارات التعليمات باستخدام معالج حاسوب واحد فقط.
طبق الفريق هذه الطريقة على ثلاثة تحديات متميزة، يمثل كل منها عقبة رئيسية في أبحاث الحوسبة الكمومية الحالية. يتضمن التحدي الأول محاكاة سلوك الإلكترونات في مفاعل اندماجي؛ فنمذجة طاقة هذه الجسيمات تتطلب من الحاسوب حساب الجذر التربيعي العكسي لرقم ما، وهي عملية رياضية مكلفة بشكل مفاجئ في الدوائر الكمومية. وقد قدم الباحثون نموذجاً مرجعياً لهذا الحساب وتحدوا المشاركين لاستخدام الذكاء الاصطناعي لتقليل عدد التعليمات المطلوبة مع الحفاظ على دقة عالية. ويركز التحدي الثاني على مشكلة فك التشفير المتعلقة بالتقاطع متعدد الحدود الأمثل، والذي يُستخدم في تقنية تسمى "تداخل الكم المفكك" (decoded quantum interferometry). ويتضمن ذلك تصحيح الأخطاء بطريقة تشبه إصلاح رسالة تالفة، لكن النسخة الكمومية تتطلب نوعاً معيناً من ترتيب بوابات المنطق التي تعد حالياً غير فعالة للغاية. أما التحدي الثالث فيتعلق بمحاكاة الكيمياء، وتحديداً التفاعلات بين الإلكترونات في الجزيئات، وهو ما يتطلب البحث عن البيانات في جدول كبير وتطبيق دورات محددة على الحالة الكمومية، وهي عملية تهيمن على تكلفة العديد من الخوارزميات الكيميائية.
ولكل من هذه التحديات، أصدر الباحثون نموذجاً مرجعياً ومجموعة مفصلة من القواعد لقياس النجاح. فقد حددوا درجة تقيم توازن بين عدد الكيوبتات (qubits) المطلوبة وبين عدد العمليات المنطقية (Toffoli gates) اللازمة. والهدف هو العثور على دائرة تستخدم موارد أقل، مما يترجم مباشرة إلى آلة يمكنها العمل بشكل أسرع وبأخطاء أقل. وقد استخدم الباحثون بالفعل وكلاء الذكاء الاصطناعي الخاص بهم لتحسين النماذج المرجعية الحالية، حيث وجدوا انخفاضات كبيرة في عدد التعليمات المطلوبة. وهم يعتقدون أن فتح المجال أمام مجتمع أوسع سيؤدي إلى اكتشاف حلول أفضل مما فاتت وكلاءهم.
كما توضح الورقة البحثية مستقبلاً يمكن أن يتطور فيه هذا الأسلوب. في الوقت الحالي، يعمل التحقق فقط للدوائر المحددة من نوع "كيك ميكس" التي يمكن تتبعها كلاسيكياً. ويقترح الباحثون أنه مع نضوج الذكاء الاصطناعي وأدوات الإثبات الرياضي، قد يكون من الممكن التحقق من دوائر كمومية أكثر عمومية لا تمتلك هذه البنية البسيطة. وهذا من شأنه أن يسمح لوكلاء الذكاء الاصطناعي بتحسين الخوارزمية الكمومية بأكملها، وليس فقط الأجزاء التي يسهل فحصها. ومع ذلك، ينصب التركيز حالياً على هذه الاختبارات الثلاثة، والتي تعمل كساحة اختبار لعصر جديد من الهندسة المدعومة بالذكاء الاصطناعي. ومن خلال جعل عملية التحقق سريعة وموثوقة، يأمل الفريق في دمقرطة تصميم الخوارزميات الكمومية، مما يسمح للباحثين من مجالات مختلفة بالمساهمة في تحسين هذه الآلات القوية. وقد صُممت هذه المسابقة لتكون متاحة لأي شخص مهتم بالذكاء الاصطناعي، بغض النظر عن خلفيته في الفيزياء الكمومية، مع توقع أن تؤدي الرؤى الجديدة إلى اختراقات في الكفاءة قد يغفل عنها الخبراء.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.