سازگاری محاسبات کوانتومی - IBM راهی برای مقیاس‌بندی؟

منتشر شده در spectrum به تاریخ ۶ آگوست

لینک منبع: IBM's Quantum Computing Compromise—a Road to Scale?

سه سلول واحد به اصطلاح شبکه « شش‌ضلعی سنگین». رنگ‌ها الگوی سه فرکانس متمایز برای کنترل (آبی تیره) و دو مجموعه کیوبیت هدف (سبز و بنفش) را نشان می‌دهند.

کامپیوترهای کوانتومی برخی از ماشین‌های پیچیده‌ای هستند که انسان‌ها تا به حال ساخته‌اند. اما این که دقیقا چقدر آن‌ها را پیچیده می‌کنید، تاثیر قابل‌توجهی بر عملکرد و مقیاس‌پذیری آن‌ها دارد. شاید جای تعجب نباشد که رهبران صنعت، گاهی اوقات رویکردهای بسیار متفاوتی اتخاذ می‌کنند.

شرکت کامپیوتری IBM را در نظر بگیرید. از این هفته (۸ آگوست)، تمام پردازنده‌های کوانتومی بیگ بلوی از یک چیدمان شش‌ضلعی استفاده خواهند کرد که ارتباطات بسیار کمتری بین کیوبیت ها -معادل کوانتومی بیت‌ها- نسبت به چیدمان مربعی که در طرح‌های اولیه خود و توسط گوگل و ریستی محاسباتی استفاده شده‌است، دارد.

این اوج چندین سال آزمایش با توپولوژی‌های پردازنده‌های مختلف است که طرح فیزیکی یک دستگاه و اتصالات بین کیوبیت های آن را توصیف می‌کند. ماشین‌های این شرکت شاهد یک کاهش پایدار در تعداد اتصالات بوده‌اند، علی‌رغم این حقیقت که میزان پیشرفت آن، که «حجم کوانتومی» را کاهش می‌دهد، وزن قابل‌توجهی به اتصال بالا می‌دهد.

پاول نیشن، محقق آی‌بی‌ام می‌گوید: این به این دلیل است که برقراری ارتباط با هزینه همراه است. پردازشگرهای کوانتومی Today مستعد خطا هستند، و هرچه ارتباطات بین کیوبیت‌ها بیشتر باشد، مشکل بدتر می‌شود. نیشن می‌گوید، مقیاس‌بندی مجدد که اتصال منجر به کاهش نمایی خطاها می‌شود، که شرکت فکر می‌کند به آن‌ها کمک خواهد کرد تا سریع‌تر به پردازنده‌های بسیار بزرگ‌تر که برای حل مشکلات دنیای واقعی مورد نیاز خواهند بود، مقیاس‌گذاری کنند.

نیشن می‌گوید: «در کوتاه‌مدت دردناک است.» «اما فکر کردن چیزی نیست که امروز بهترین است، چیزی است که برای فردا بهترین است.»

شرکت IBM برای اولین بار در سال گذشته توپولوژی به اصطلاح «هکس (شش‌ضلعی) سنگین» را معرفی کرد، و این شرکت به تدریج پردازنده‌هایی را با چیدمان‌های جایگزین کنار گذاشته‌است. پس از این هفته، تمام بیش از ۲۰ پردازنده موجود درIBM Cloud به طراحی وابسته خواهند بود. و نیشن می‌گوید که hex سنگین در تمام دستگاه‌های مشخص‌شده در نقشه راه کوانتومی استفاده خواهد شد، حداقل تا زمانی که پردازنده ۱،۱۲۱ کیوبیت کندور برای سال ۲۰۲۳ برنامه‌ریزی شده‌باشد.

در کوتاه‌مدت دردناک است. اما فکر کردن چیزی نیست که امروز بهترین باشد، چیزی است که برای فردا بهترین است.

بلوک پایه ساختمان ۱۲ کیوبیت است که به صورت یک شش‌ضلعی، با یک کیوبیت در هر نقطه و یک کیوبیت دیگر در هر لبه تخت مرتب شده است. کیوبیت‌های در امتداد لبه‌ها تنها به دو همسایه نزدیک خود متصل می‌شوند، در حالی که کیوبیت‌های روی نقاط می‌توانند به کیوبیت سوم متصل شوند، که این امکان را به وجود می‌آورد که شش‌ضلعی‌های کنار هم برای ساخت پردازنده‌های بزرگ‌تر ساخته شوند.

این طرح نشان‌دهنده کاهش قابل‌توجهی در اتصالات شبکه مربعی مورد استفاده در پردازنده‌های قبلی شرکت -و همچنین اکثر کامپیوترهای کوانتومی دیگر است که بر کیوبیت‌های ابررسانا تکیه می‌کنند. در این توپولوژی، کیوبیت‌ها معمولا به چهار همسایه متصل می‌شوند تا شبکه‌ای از مربع‌ها را ایجاد کنند. کامپیوترهای کوانتومی که از کیوبیت‌های یون به‌دام‌افتاده مانند آن‌هایی که توسط هونیول وIonQ ساخته شده‌اند، استفاده می‌کنند، حتی فراتر می‌روند و امکان تعامل بین هر دو کیوبیت را فراهم می‌کنند، هر چند که این تکنولوژی با مجموعه چالش‌های خودش همراه است.

نیشن می‌گوید: این تصمیم ناشی از نوعی کیوبیت است کهIBM از آن استفاده می‌کند. کیوبیت‌های مورد استفاده توسط شرکت‌هایی مانند Google و Rigetti را می‌توان برای پاسخ به فرکانس‌های مایکروویو مختلف تنظیم کرد، اما IBMs در ساخت ثابت است. نیشن می‌گوید: این کار، ساخت و کاهش پیچیدگی سیستم کنترل را آسان‌تر می‌کند. اما این طرح همچنین اجتناب از برخوردهای فرکانسی را در زمان کنترل چند کیوبیت در یک زمان سخت‌تر می‌کند. همچنین، اتصالات هرگز نمی‌توانند به طور کامل خاموش شوند -بنابراین کیوبیت‌ها هنوز هم تاثیر ضعیفی بر همسایگان خود حتی زمانی که درگیر عملیات نیستند، دارند.

هر دو پدیده می‌توانند محاسبات را حذف کنند، اما با تغییر به یک توپولوژی با اتصالات کم‌تر، محققان IBM توانستند به طور قابل‌توجهی هر دو اثر را کاهش دهند، که منجر به کاهش نمایی در خطاها شد.

فرانکو نوری، دانشمند ارشد آزمایشگاه فیزیک کوانتوم نظری در موسسه تحقیقاتی ریکن در ژاپن می‌گوید، اتصال کم‌تر باعث می‌شود که مدارهای اجرایی به طور قابل‌توجهی سخت‌تر شوند. اگر دو کیوبیت به طور مستقیم به هم متصل نباشند، وادار کردن آن‌ها به تعامل شامل یک سری عملیات مبادله است که مقادیر آن‌ها را از کیوبیت به کیوبیت منتقل می‌کند تا زمانی که در کنار یکدیگر قرار گیرند. نوری می‌گوید: هر چه ارتباطات مستقیم کم‌تر باشد، عملیات بیشتری مورد نیاز است و چون هر کدام مستعد خطا هستند، این فرآیند می‌تواند مانند یک بازی «تلفن» باشد.

او می‌گوید: «شما این اطلاعات را در گوش همسایه خود زمزمه می‌کنید، اما تا زمانی که به طرف دیگر برسد، احتمال بد بودن آن بسیار زیاد است.» «شما نمی‌خواهید واسطه‌های زیادی داشته باشید.»

نیشن می‌گوید: کاهش ارتباطات تعداد عملیات‌های مورد نیاز را افزایش می‌دهد. اما تیم متوجه شد که با افزایش مقیاس دستگاه‌ها، مخارج کلی ثابت باقی می‌ماند. او اضافه می‌کند که اگر آن‌ها به کاهش نمایی خطاها برای هر عملیات ادامه دهند، تاثیر آن به سرعت کاهش خواهد یافت. او می‌گوید: «شما هزینه پرداخت می‌کنید.» «اما اگر بتوانید به بهبود عملکرد دو کیوبیت خود ادامه دهید، در طول زمان چیزی بیش از جبران آن هزینه خواهید داشت.»

اینکه آیا کاهش نمایی خطا ادامه خواهد یافت یا نه، نامشخص است. «نیشن» تصدیق می‌کند که بیشتر سود حاصل از کاهش راه‌های ارتباطی بوده‌است، که در حال حاضر اشباع شده‌است. پیشرفت بیشتر باید ناشی از پیشرفت‌هایی در زمینه‌های دیگر مانند علوم مواد و طراحی سخت‌افزار باشد.

فرد چونگ، استاد دانشگاه شیکاگو که در زمینه محاسبات کوانتومی مطالعه می‌کند، می‌گوید: با این حال، مبادله IBM منطقی به نظر می‌رسد. او می‌گوید، در حالی که قطعات قابل تنظیم گوگل می‌توانند ارتباطات بیشتری را پشتیبانی کنند، ساخت آن‌ها نیز پیچیده‌تر است. که باعث می‌شود مقیاس‌بندی آن‌ها سخت‌تر شود. گوگل به درخواست مصاحبه پاسخ نداد.

این متن با استفاده از ربات مترجم مقاله هوش مصنوعی ترجمه شده و به صورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته است.در نتیجه می‌تواند دارای برخی اشکالات ترجمه باشد.

مقالات لینک‌شده در این متن می‌توانند به صورت رایگان با استفاده از مقاله‌خوان ترجمیار به فارسی مطالعه شوند.