چه QPU ای به دردم میخوره؟

این روز ها تقریباً همه‌ی شرکت های بزرگ فناوری در حوزه رایانش کوانتومی در حال رقابت برای تصرف بازار هستند کنارشان استارت‌آپ های بزرگ و کوچک سعی میکنند با نوآوری و پیشروی سهمی برای خودشان در بازار فراهم کنند؛ در این میان شرکت های صنایع بزرگ که به اهمیت کامپیوتر های کوانتومی روز به روز بیشتر پی میبرند و سعی دارند هر چه زودتر به کارگیری ابزارهای کوانتومی را شروع کنند. برای همین هم استارت‌آپ ها برای از دست ندادن سرمایه هایی که سرازیرشان میشد و هم شرکت های بزرگ برای عقب نماندن از قافله شروع کردن به ارائه خدمات متنوع کوانتومی و شروع تصاحب بازار، یکی از مهم ترین و کاربردی ترین خدماتی که میتوان بهش اشاره کرد خدمات رایانش کوانتومی ابری هست.

پردازش ابری کوانتومی اطلاعات قدمی بسیار بزرگ در راه کاربردی سازی و صنعتی سازی کامپیوتر های کوانتومی است زیرا ساخت و نگهداری آنها برای هر شرکت بسیار گران قیمت و ضرر ده بود ولی با استفاده اشتراکی از QPU ها یا همان quantum processing unit ها این امکان را برای علاقمندان حوزه که درسترسی به سخت افزار های کوانتومی ندارند فراهم کرد که به یادگیری آن بپردازند و در عین حال به شرکت ها هم فرصت داد تا به تحقیق و توسعه بدون هزینه زیاد بپردازند.

حال در این بلاگ میخواهم هم برای شرکت ها و هم برای افراد علاقمند یک راهنمای نه چندان تخصصی بنویسم که در انتخاب خدمات QPU به چه چیز هایی توجه کنند و چه چیز ها حائز اهمیت است.

پ.ن: من شخصا به دلیل رایگان بودن و محدودیت های کم (به جز تحریم) از quantum composer IBM استفاده میکنم

1. تعداد کیوبیت ها و اتصالات

تعداد کیوبیت: تعداد کیوبیت بالا یک فاکتور بسیار مهم و ابتدایی در انتخاب QPU مورد نظر هست ولی باید این رو هم بگم که کیوبیت بیشتر همیشه به معنی عملکرد بهتر نیست و بیشتر باید روی کیفیت کیوبیت ها تمرکز کنید کیفیت بیشتر یعنی:

1. مدت زمان همدوسی بالا: این نشان دهنده این است که تا چه زمانی کیوبیت توانایی ماندن در حالت کوانتومی است، این هرچقدر بالاتر باشد فرصت اندازه‌گیری بیشتر میشود در نتیجه دقیق تر و سرعت پردازش بالاتری خواهد داشت.
2. کیفیت بالای گیت ها: این فاکتور نیز نشان دهنده چگونگی عملکرد گیت ها بر روی کیوبیت ها است که هر چقدر بیشتر باشد دقت بالا میرود
3. خطای کم: خطای کمتر و تعامل کمتر با محیط دقت کیوبیت ها را بالا میبرد.

اتصالات: اتصالات بین کیوبیت ها اگر بالا و قوی باشد به این معنی است که میتوان مدار های پیچیده تری را روی آن QPU پیاده سازی کرد. این زمانی اهمیت پیدا میکند که قصد انجام پروژه های کلان و ساخت مدار های پیچیده ای دارید.

2. معماری سیستم QPU

از آنجایی که هم استاندارد خاصی در این حوزه فناوری نداریم و هم آزمون و خطای بسیار زیادی در حال انجام در فضای رایانش کوانتومی است چند نوع معماری کامپیوتر متفاوت داریم که باهم اینجا بررسی میکنیم

• ابررسانا: در این ساختار از مدار های ابررسانا برای ساخت کیوبیت ها استفاده میشود که در گوگل کوانتوم و IBM استفاده میشود. این معماری برای کاربرد تحقیقاتی و روزمره دارد، برای کار های ساده مناسب است.
• یون دام افتاده (trapped ion): از یون های به تله افتاده به عنوان کیوبیت استفاده میکنند و با لیزر تغییرات روی آن اعمال میکنند. تو شرکت های IonQ و honeywell از این معماری استفاده میشود. کاربرد تحقیقاتی در مقیاس های بزرگ دارد و دقت بسیار بالاتری دارد ولی چالش های مقیاس پذیری هم دارد.
• فوتونی: از فوتون ها به عنوان کیوبیت استفاده میکند. شرکت Psiquantum از این معماری استفاده میکند و در ارتباط از راه دور (ارتباطات کوانتومی و شبکه های کوانتومی) و اجرای نوع خاصی ار الگوریتم ها کاربرد دارد.
• توپولوژیک: یک تکنولوژی در حال توسعه هست، شرکت Microsoft بیشتر بر روی این معماری تمرکز دارد و پیش بیتی میشود تحمل بالایی در خطا ها یا به اصطلاح error correction قوی تری نسبت به دیگر معماری ها دارد ولی هنوز در مراحل اولیه توسعه خود است.

3. متریک ها

کیفیت لایه ها: معیاری است که توانایی کلی پردازنده در اجرای مدارها را در بر می‌گیرد و در عین حال اطلاعاتی در مورد کیوبیت‌های منفرد، گیت‌ها و تداخلات ارائه می‌دهد. این متریک با EPLG نشان داده شده است که معادل error per layer gate هست.

سرعت: عملکرد ترکیبی از کیفیت، مقیاس و سرعت است. از آنجایی که ما یک معیار کیفیت/مقیاس جدید به نام کیفیت لایه معرفی می‌کنیم، زمان مناسبی برای به‌روزرسانی معیار سرعت ما، CLOPS، است که مخفف circuit layer operations per second است. نکته مهم این است که CLOPS هم زمان اجرای مدارها و هم محاسبات کلاسیک واقعی و نزدیک به زمان واقعی مورد نیاز را در بر می‌گیرد.

4. نوع پردازنده

نواع پردازنده‌ها بر اساس ویژگی‌های کلی فناوری که در ساخت آنها استفاده می‌شود، نامگذاری می‌شوند و شامل خانواده و بازبینی هستند. خانواده (به عنوان مثال، Falcon) به اندازه و مقیاس مدارهای ممکن روی تراشه اشاره دارد. این ویژگی عمدتاً توسط تعداد کیوبیت‌ها و نمودار اتصال تعیین می‌شود. بازبینی‌ها (به عنوان مثال، r1) تغییرات طراحی در یک خانواده معین هستند که اغلب منجر به بهبود عملکرد یا مبادلات می‌شوند. بخش‌ها از زیربخش‌های تراشه تشکیل شده‌اند و در یک خانواده معین تعریف می‌شوند. به عنوان مثال، بخش H یک Falcon شامل هفت کیوبیت است. بخش H در یک Hummingbird، در صورت پیاده‌سازی، می‌تواند کاملاً متفاوت باشد. تعدادی از انواع پردازنده های IBM:

• Heron
• Osprey
• Eagle
• Hummingbird
• Egret
• Falcon
• Canary

حرف آخر

در نهایت پس از بررسی ویژگی های سخت افزاری و محدودیت ها و نقاط قوت با در نظر گرفتن هزینه دسترسی، ویژگی های ارائه دهنده خدمات و آینده سیستم میتوانید بهترین QPU را برای استفاده انتخاب کنید.