Quantum Integration Software Suite For HPC-Quantum Computing Workflows

يقف عالم الحوسبة حالياً عند مفترق طرق. فمن ناحية، يبرز المشهد المألوف للحواسيب الفائقة الكلاسيكية، وهي آلات ضخمة تحل المشكلات المعقدة عبر تفكيكها إلى مليارات الخطوات المتتالية الصغيرة. ومن ناحية أخرى، تظهر الآفاق الناشئة للحوسبة الكمومية، وهي تقنية تستخدم القواعد الغريبة لفيزياء الجسيمات دون الذرية لمعالجة المعلومات بطرق مختلفة جذرياً. وبينما تتفوق الحواسيب الكلاسيكية في العديد من المهام، فإنها تواجه صعوبة في أنواع محددة من المشكلات، مثل محاكاة سلوك الجزيئات لاكتشاف الأدوية أو تحسين الشبكات اللوجستية الضخمة. وتعد الحواسيب الكمومية بحل هذه المشكلات المحددة بسرعة أكبر بكثير، لكنها ليست جاهزة بعد لتحل محل الآلات الكلاسيكية. وبدلاً من ذلك، فإن المسار الأكثر عملية للمضي قدماً يتضمن شراكة: نظام هجين حيث يتولى حاسوب فائق كلاسيكي المهام الشاقة المتعلقة بإدارة البيانات والمنطق، بينما يتولى معالج كمومي معالجة الحسابات المحددة والصعبة التي تعجز عنها الآلات الكلاسيكية. ويتمثل التحدي الذي يواجه العلماء في كيفية ربط هذين العالمين المختلفين تماماً بكفاءة، وضمان أن الوقت المستغرق في نقل البيانات بينهما لا يلغي المكاسب في السرعة التي يوفرها الحاسوب الكمومي.

في دراسة حديثة، قام باحثون في مجلس المنشآت العلمية والتكنولوجية في المملكة المتحدة ببناء مجموعة جديدة من الأدوات البرمجية المصممة لسد هذه الفجوة. ويركز عملهم على إنشاء سير عمل سلس يسمح للحواسيب الفائقة الكلاسيكية بالتحدث إلى المعالجات الكمومية، أو على الأقل محاكاة تلك المحادثة بدقة عالية. وقد قدم الفريق أداتين رئيسيتين؛ الأولى هي مترجم، يسمى "المترجم البرمجي" (compiler)، يأخذ التعليمات المكتوبة بلغة حديثة للحواسيب الكمومية ويحولها إلى تنسيق يمكن لمحاكي كلاسيكي قوي تشغيله. أما الأداة الثانية فهي نموذج أداء، وهو بمثابة "بلورة رقمية" تتنبأ بالوقت الذي ستستغرقه المهمة وحجم حركة البيانات التي ستنتجها عند الانتقال بين الأجزاء الكلاسيكية والكمومية للنظام. ومن خلال الجمع بين هاتين الأداتتين، أظهر الباحثون كيف يمكن للعلماء اختبار وتحسين سير العمل الهجين دون الحاجة إلى وصول مستمر وفوري إلى أجهزة كمومية حقيقية باهظة الثمن ومحدودة.

إن جوهر هذه المجموعة البرمجية الجديدة هو مترجم مصمم للتعامل مع لغة محددة تُعرف باسم OpenQASM 3.0. فكر في هذه اللغة كأنها دليل تعليمات للحاسوب الكمومي. كانت الإصدارات القديمة من هذا الدليل محدودة للغاية؛ إذ كان بإمكانها وصف تسلسلات بسيطة من الخطوات، لكنها واجهت صعوبة في التعامل مع المنطق المعقد، مثل الحلقات التكرارية أو القرارات التي تعتمد على نتائج وسيطة. أما الإصدار الأحدث، OpenQASM 3.0، فيسمح بتعليمات أكثر تطوراً، بما في ذلك القدرة على قياس جسيم في منتصف عملية حسابية وتغيير الخطوات التالية بناءً على تلك النتيجة. ومع ذلك، لم تكن هناك حتى الآن سوى أدوات قليلة جداً قادرة على أخذ هذه التعليمات المتقدمة وتشغيلها بكفاءة على الآلات الكلاسيكية. وقد بنى الباحثون هذا المترجم لحل هذه المشكلة؛ فهو يأخذ ملف OpenQASM 3.0 المعقد ويترجمه إلى كود لغة ++C، وهي لغة معيارية للحوسبة عالية الأداء. ثم يتم ربط هذا الكود المولد مع محاكي عالي السرعة يسمى QuEST، والذي يمكنه محاكاة سلوك الحاسوب الكمومي بدقة كبيرة. والنتيجة هي نظام يمكنه تشغيل خوارزميات كمومية معقدة على حاسوب فائق كلاسيكي، مما يسمح للباحثين بالتحقق من منطقهم واختبار أفكارهم قبل أن يلمسوا أي جهاز كمومي حقيقي.

ولجعل هذا النظام مفيداً حقاً للتخطيط، طور الفريق أيضاً أداة لتقدير تكلفة تشغيل سير العمل الهجين هذا. فعندما يرسل حاسوب كلاسيكي مهمة إلى معالج كمومي، يحدث تأخير في إرسال البيانات وانتظار النتيجة. وهذا التأخير، المعروف باسم "زمن الاستجابة" (latency)، وسرعة انتقال البيانات، المعروفة باسم "عرض النطاق الترددي" (bandwidth)، يمكن أن يختلفا بشكل كبير اعتماداً على كيفية اتصال النظامين. فقد يكونان على نفس الآلة الفيزيائية، أو في آلات مختلفة داخل نفس مركز البيانات، أو متصلين عبر الإنترنت في إعداد سحابي. وقد أنشأ الباحثون نموذجاً يحسب هذه التكاليف بناءً على حجم الدائرة الكمومية ونوع الاتصال المستخدم. واختبروا هذا النموذج باستخدام سيناريو واقعي من مجال الكيمياء: حساب طاقة الحالة الأرضية للجزيئات. وهذه مهمة حاسمة لفهم كيفية تفاعل المواد الكيميائية، وهي مرشح رئيسي للتسريع الكمومي. تضمن سير العمل توليد دائرة كمومية، وترجمتها، ومحاكاة النتائج، ثم تغذية بيانات الطاقة مرة أخرى في حلقة محاكاة كيميائية أكبر.

كشفت نتائج اختباراتهم عن تفاصيل مهمة حول كيفية سلوك هذه الأنظمة الهجينة. فعندما قام الباحثون بمحاكاة الاتصال بين الأجزاء الكلاسيكية والكمومية، وجدوا أن الوقت المستغرق في نقل البيانات يعتمد بشدة على حجم المهمة والمسافة بين الحواسيب. وبالنسبة للمهام الصغيرة، فإن الفرق بين وجود الحواسيب على نفس الآلة وبين الاتصال بها عبر الإنترنت يكون دراماتيكياً؛ إذ كان زمن التأخير للاتصال عبر الإنترنت أعلى بنحو رتبتين عشريتين مقارنة بالاتصال المحلي، مما يعني أن وقت الانتظار كان أطول بنحو مائة ضعف. ومع ذلك، مع زيادة حجم المهمة الكمومية، بدأ الفرق بين الاتصالات المحلية والبعيدة يتقلص؛ وذلك لأن عمليات نقل البيانات الكبيرة عبر الإنترنت يتم تقسيمها إلى حزم صغيرة، وتخلق بروتوكولات الشبكة التي تحكم هذه الحزم عبئاً ثابتاً لا يتغير كثيراً مع الحجم. ورغم تأخيرات الاتصال هذه، وجد الباحثون أنه بالنسبة لخوارزمية الكيمياء المحددة التي اختبروها، لم يكن الوقت المستغرق في انتظار البيانات هو العائق الرئيسي، بل كان العائق الحقيقي هو العملية الحسابية الفعلية والوقت المطلوب لترجمة الدائرة إلى تنسيق يمكن للأجهزة فهمه.

كما سلطت الدراسة الضوء على أن اختيار كيفية ربط الأنظمة يمثل أهمية قصوى للمهام الصغيرة والمتكررة. ففي سير العمل الذي يرسل فيه حاسوب كلاسيكي مهمة كمومية صغيرة، وينتظر الإجابة، ثم يرسل مهمة أخرى فوراً، يمكن أن يهيمن تأخير الاتصال على العملية بأكملها. وهذا ينطبق بشكل خاص على الخوارزميات التي تتطلب العديد من عمليات التبادل ذهاباً وإياباً، مثل تلك المستخدمة لإيجاد أفضل تكوين للجزيء. وفي المقابل، فإن الخوارزمية المستخدمة في هذه الدراسة، والتي تقوم بعملية حسابية طويلة ومستمرة، هي أقل حساسية لهذه التأخيرات. وأشار الباحثون إلى أن الوقت المستغرق في ترجمة التعليمات الكمومية إلى شكل يمكن للأجهزة استخدامه يزداد بشكل ملحوظ مع زيادة عدد الجسيمات في المحاكاة. وبالنسبة لأكبر جزيء اختبروه، والذي تضمن سبعة وعشرين جسيماً، استغرق وقت إعداد التعليمات مئات الثواني، بينما كان وقت التنفيذ الفعلي أطول من ذلك. وهذا يشير إلى أنه مع ازدياد قوة الحواسيب الكمومية وتعاملها مع مشكلات أكثر تعقيداً، ستصبح كفاءة برامج الترجمة بنفس أهمية سرعة الأجهزة نفسها.

من خلال توفير هذه الأدوات، منح الباحثون المجتمع العلمي وسيلة لتصميم واختبار سير العمل الهجين دون الحاجة إلى انتظار الوصول إلى أجهزة كمومية مثالية. إذ يسمح لهم المترجم البرمجي باستخدام القوة الكاملة لمجموعات التعليمات الكمومية الحديثة على الحواسيب الفائقة الموجودة حالياً، بينما يوفر نموذج الأداء رؤية واقعية للمقايضات المتضمنة في استراتيجيات التكامل المختلفة. ويعمل هذا العمل كدليل عملي للمستقبل، موضحاً أنه بينما لا يزال الحلم بوجود حاسوب كمومي كامل بعيد المنال لسنوات، فإن المسار نحو أنظمة هجينة مفيدة يتم تمهيده بالفعل. إن هذه الأدوات مصممة لتكون مرنة، وقادرة على التكيف مع أنواع مختلفة من الأجهزة الكمومية والمشكلات العلمية المختلفة، شريطة أن تتبع التعليمات التنسيق القياسي. ومع تقدم المجال، ستكون مثل هذه الجسور البرمجية ضرورية لتحويل الإمكانات النظرية للحوسبة الكمومية إلى اختراقات علمية ملموسة في العالم الحقيقي.