Realizing Unstructured PDE Forecasting on Superconducting Quantum Processors

يتطلب التنبؤ بكيفية دوران السوائل حول هيكل سفينة، أو كيفية تطور الأنظمة الجوية فوق قارة، أو كيفية اختلاط المواد الكيميائية في مفاعل ما، حل معادلات رياضية معقدة تُعرف بالمعادلات التفاضلية الجزئية. لعقود من الزمن، اعتمد العلماء على أجهزة كمبيوتر فائقة ضخمة لتجزئة هذه المشكلات إلى قطع صغيرة يمكن إدارتها، وغالبًا باستخدام شبكات غير منتظمة يمكنها التكيف مع شكل الجسم الذي تتم دراسته. وبينما تعمل هذه الأساليب، إلا أنها مكلفة وبطيئة للغاية، مما يدفع حتى أقوى الأجهزة في العالم إلى أقصى حدودها. وفي السنوات الأخيرة، نظر الباحثون إلى الحواسيب الكمومية، التي تستخدم القواعد الغريبة لفيزياء الجسيمات دون الذرية لمعالجة المعلومات، آملين أن تتمكن يومًا ما من حل هذه المشكلات بشكل أسرع. ومع ذلك، لا تزال الأجهزة الكمومية الحالية صغيرة، ومليئة بالضجيج، وتكافح للعمل لفترات طويلة بما يكفي للتعامل مع عمليات المحاكاة المعقدة والواقعية المطلوبة في الهندسة والعلوم.

لقد أظهر فريق من الباحثين الآن طريقة جديدة لاستخدام هذه الأجهزة الكمومية المبكرة للتنبؤ بسلوك تدفقات السوائل المعقدة وغير المنظمة. فبدلاً من محاولة حل المعادلات مباشرة، وهو أمر صعب على الأجهزة الحالية، قاموا ببناء نظام يتعلم التنبؤ بالحالة المستقبلية لسائل من خلال مراقبة ماضيه. استخدم الفريق حاسوباً كمومياً ليعمل كمستخرج ميزات متطور، وهي عملية تحدد الأنماط الخفية في البيانات دون الحاجة إلى التدريب على المشكلة نفسها. وقد اختبروا هذا النهج في سيناريوهين متحديين: هواء يتدفق حول أسطوانة، وتفاعل كيميائي يخلق أنماطاً دوارة. ومن خلال الجمع بين قدرة الحاسوب الكلاسيكي على ضغط البيانات وقدرة الحاسوب الكمومي على إيجاد علاقات معقدة، تمكنوا من إجراء تنبؤات دقيقة على أجهزة كمومية حقيقية، على الرغم من أن ذاكرة الجهاز كانت أقصر بكثير من الوقت المطلوب لتشغيل المحاكاة.

يعتمد جوهر طريقتهم على تقنية تسمى "الحوسبة الاحتياطية الكمومية" (quantum reservoir computing). تخيل غرفة كبيرة ومعقدة مليئة بالأصداء؛ إذا نطقت بكلمة، فإن الطريقة التي يرتد بها الصوت ويتلاشى بها بمرور الوقت تحتوي على بصمة فريدة لتلك الكلمة. في هذه التجربة، يعمل الحاسوب الكمومي كأنها تلك الغرفة. يقوم الباحثون بتغذية بيانات حول الحالة الحالية للسائل في النظام الكمومي، والذي يتطور بعد ذلك من تلقاء نفسه وفقاً لقواعد ثابتة. هم لا يعدلون إعدادات الآلة الكمومية لتناسب البيانات، بل يقومون ببساء بـقياس المخرجات بعد أن تعالج الآلة المدخلات. وتعمل هذه المخرجات كمجموعة غنية من الميزات التي يمكن للحاسوب الكلاسيكي استخدامها للتنبؤ بما سيحدث بعد ذلك. ولأن الآلة الكمومية لا يتم تدريبها، فهي تتجنب الصعوبات التي غالباً ما تعيق الطرق الكمومية الأخرى، مثل العلوق في أخطاء محلية أو الحاجة إلى ملايين المحاولات لإيجاد حل.

تتمثل إحدى العقبات الرئيسية في استخدام الحواسيب الكمومية للمحاكاة الطويلة في أن البتات الكمومية، أو "الكيوبتات"، تفقد معلوماتها بسرعة بسبب الضجيج والتداخل البيئي. وعادةً، يجب أن تنتهي عملية حسابية قبل أن تتلاشى هذه المعلومات، مما يحد من المدى الذي يمكن للنظام التنبؤ به في المستقبل. وقد حل الباحثون هذه المشكلة باستخدام خدعة ذكية تتضمن القياسات وإعادة الضبط الجزئي. فقد قاموا بقياس نصف الكيوبتات في نظامهم ثم أعادوا ضبطها فوراً إلى حالة البداية، مع ترك النصف الآخر دون مساس. هذه العملية تقوم بـ "تنشيط" أو "تجديد" النظام بلطف، مما يسمح للكيوبتات غير المقاسة بالاحتفاظ بذاكرة باهتة للمدخلات الماضية. سمحت هذه الآلية للدائرة الكمومية بالعمل لمدة أطول بنحو أربعة وعشرين ضعفاً من العمر الطبيعي للكيوبتات، مما تجاوز فعلياً الحد الزمني للأجهزة ومكن من التنبؤ بأحداث غير خطية معقدة.

لاختبار نظامهم، استخدم الفريق بيانات من محاكاة لهواء يتدفق بجانب أسطوانة بسرعة تجعل الهواء يخلق نمطاً متكرراً من الدوامات. كما اختبروا نظام تفاعل كيميائي يُعرف باسم نموذج "غراي-سكوت" (Gray-Scott)، الذي ينتج أنماطاً لولبية معقدة ذاتية التنظيم. وفي كلتا الحالتين، استخدموا أولاً حاسوبًا كلاسيكيًا لضغط الكم الهائل من البيانات التي تصف مجالات السائل أو المواد الكيميائية إلى تمثيل أصغر وأبسط. ثم تم تغذية هذه البيانات المضغوطة في المعالج الكمومي. عالجت الآلة الكمومية المعلومات ومررت النتائج مرة أخرى إلى حاسوب كلاسيكي، والذي استخدم صيغة رياضية بسيطة للتنبؤ بالخطوة التالية في التسلسل. لقد كرروا هذه العملية للتنبؤ بسلوك النظام بمرور الوقت، مما خلق حلقة مغلقة حيث يصبح التنبؤ بلحظة ما هو المدخل للحظة التالية.

أظهرت النتائج أن إضافة المعالج الكمومي إلى مسار التنبؤ حسّنت الدقة بشكل كبير. فعند مقارنتها بطريقة تنبؤ خطية قياسية لم تستخدم الميزات الكمومية، قلل النهج الجديد من الخطأ في التنبؤ بسرعة السائل وضغطه بنسبة تتراوح بين واحد وعشرين وأربعة وثلاثين بالمائة. وظل هذا التحسن قائماً حتى عندما تم تشغيل النظام على أجهزة كمومية حقيقية من شركة IBM، والتي تحتوي على ما يصل إلى اثنين وخمسين كيوبت وتتعرض للضجيج الواقعي. في الواقع، وجد الباحثون أن الضجيج في الأجهزة لم يفسد التنبؤات؛ بل في بعض الحالات، ساعد الضجيج النظام على التعميم بشكل أفضل، حيث عمل كمرشح طبيعي منع النموذج من الإفراط في التكيف مع بيانات التدريب (overfitting). وهذا يشير إلى أن قدرة النظام الكمومي على استكشاف فضاء واسع من الاحتمالات تظل مفيدة حتى عندما تكون الآلة غير مثالية.

كما سلطت الدراسة الضوء على المزايا العملية لهذا النهج فيما يتعلق بالسرعة والقابلية للتوسع. وبينما لم يكن الحاسوب الكمومي أسرع من الحاسوب الفائق الكلاسيكي في حل مشكلة ديناميكا السوائل بأكملها من الصفر، إلا أن الجزء المحدد من الحساب الذي قام به المعالج الكمومي تم تنفيذه بشكل أسرع بكما لو تمت محاكاته على حاسوب كلاسيكي. بالنسبة للنظام المكون من اثنين وخمسين كيوبت، أكملت الأجهزة الكمومية المهمة في غضات من الزمن، بينما كان من المستحيل محاكاة نفس العملية بدقة على حاسوب كلاسيكي قوي بسبب الكم الهائل من الذاكرة المطلوبة. وأشار الباحثون إلى أن هذا ليس بديلاً عن الحواسيب الفائقة التقليدية بعد، ولكنه يثبت أن الآلات الكمومية يمكن أن تساهم برؤى قيمة في مهام التنبؤ المعقدة. ومن خلال إثبات أن النظام الكمومي يمكنه العمل لمدة تتجاوز بكثير عمر مكوناته ومع ذلك ينتج نتائج دقيقة على مشكلات واقعية غير منظمة، فتح الفريق مساراً جديداً لاستخدام التكنولوجيا الكمومية في المحاكاة العلمية.

يمثل هذا العمل المرة الأولى التي يُستخدم فيها حاسوب كمومي للتنبؤ بسلوك سائل على شبكة غير منتظمة وغير منظمة، وهو مطلب شائع في الهندسة لم تستطع الأساليب الكمومية السابقة التعامل معه. كما يعد هذا أول حالة لتنبؤ بحلقة مغلقة، حيث يتنبأ النظام الكمومي بتسلسل من الحالات المستقبلية بناءً على تنبؤاته السابقة، وكل ذلك أثناء العمل على أجهزة مليئة بالضجيج. ويشير نجاح التجربة إلى أن مستقبل الحوسبة الكمومية قد لا يكمن في بناء آلات مثالية خالية من الأخطاء، بل في تصميم أنظمة يمكنها تسخير قوة المساحات الكمومية الكبيرة وغير المدربة للعثور على أنماط قد تفوتها الحواسيب الكلاسيكية. ومع استمرار نمو حجم وقدرات الأجهزة الكمومية، يمكن لطرق مثل هذه أن تساعد العلماء والمهندسين في النهاية على معالجة المشكلات التي تعد حالياً مكلفة للغاية أو بطيئة جداً للحل، بدءاً من تصميم طائرات أكثر كفاءة وصولاً إلى التنبؤ بالظواهر الجوية المتطرفة.