قبل أن تجتاح الحواسيب الرقمية العالم بوقت طويل، كانت الآلات التناظرية تساعد البشر على نمذجة العالم. تدعونا الطبيعة الدقيقة لفيزياء الكم إلى إعادة النظر في التمييز بين الرقمي والتناظري. في PASQAL، نتبنى هذه الازدواجية لتطوير حلول رقمية/تناظرية هجينة لتسريع المسار نحو الميزة الكمية.
الحوسبة الرقمية مقابل الحوسبة التناظرية
لقد اعتدنا على أجهزة الكمبيوتر لدرجة أننا نسينا كم هي أشياء عجيبة وغريبة. ها هو المحرك الذي، بدلاً من تحويل الحرارة إلى حركة، يحول الأسئلة إلى إجابات. من وجهة النظر هذه، كان لدينا حواسيب منذ آلاف السنين. بالفعل في القرن الثاني قبل الميلاد، كان الإغريق القدماء يستخدمون أجهزة كمبيوتر تعمل بالطاقة اليدوية - آلية أنتيكيثيرا - للتنبؤ بالمواقع الفلكية والكسوف.
ولكن ما الذي يجعل حواسيب اليوم مميزة؟ ولماذا تستدعي الحوسبة الكمية وجهات نظر أوسع؟
لحل مشكلة أو الإجابة على استفسار المستخدم، يحتاج الكمبيوتر إلى وقت للتفكير. يمكن أن تحدث عملية التفكير بشكل مستمر أو في خطوات منفصلة. بعبارة أخرى، يمكن أن يكون الكمبيوتر تناظرياً أو رقمياً، على التوالي. اليوم، الحوسبة الرقمية هي النهج السائد، لدرجة أنها أصبحت مرادفًا للحوسبة تقريبًا. ولكن لم يكن الأمر كذلك دائمًا، فقبل الستينيات كان كلا النهجين في الحوسبة على قدم المساواة.
هناك العديد من الأسباب التي أدت إلى هيمنة الحوسبة الرقمية؛ منها على سبيل المثال لا الحصر: العالمية والمرونة في مواجهة الأخطاء. ومع ذلك، كانت الحواسيب التناظرية تجلب الميزة الحسابية للبشر قبل وقت طويل من ظهور نظيراتها الرقمية.
تم تطبيق الحواسيب التناظرية على حل المعادلات التفاضلية من قبل غاسبارد-غوستاف كوريوليس في وقت مبكر من عام 1836. استمرت هذه الحواسيب في التطور على مدار القرن التاسع عشر وأوائل القرن العشرين، واستُخدمت في التنبؤ بالمد والجزر ومسارات المقذوفات. كان حاسوب حاسوب دلتار التناظري (الشكل 1) في تصميم وتنفيذ أعمال دلتا - وهو مشروع ضخم للبنية التحتية لحماية المناطق المكتظة بالسكان في هولندا من البحر - من عام 1960 حتى عام 1984.
إعادة النظر في الحوسبة التناظرية مع الحوسبة الكمية
تأتي الحواسيب الكمية أيضًا بنكهات رقمية وتناظرية. في الحوسبة الكمية الرقمية، ننفذ الخوارزميات عن طريق تنفيذ تسلسل من العمليات المنفصلة، والمعروفة باسم البوابات الكمية. في الحالة التناظرية، يتحكم المستخدم في عدد صغير من المعلمات ويتطور الحاسوب الكمي نحو إجابة بشكل مستمر.
أحد الأسباب الرئيسية وراء تحول الحوسبة الكلاسيكية إلى رقمية هو مقاومة الأخطاء. هذا لأن الأخطاء الصغيرة يتم التخلص منها عن طريق التقريب في الإعداد الرقمي. بشكل أساسي، يتم التعامل مع 0.99 على أنه 1 و0.002 على أنه 0 مما يجعل البتات قوية في مواجهة الأخطاء الصغيرة. علاوة على ذلك، يمكن كتابة كل عملية حسابية ممكنة بدلالة العمليات الرقمية. الحواسيب الرقمية عالمية. وبالتالي، قد تتساءل: هل تستحق فكرة الحوسبة الكمية التناظرية التفكير؟ بالطبع، إنها كذلك!
بالفعل في المجال الكلاسيكي للحواسيب التناظرية ميزات جذابة عند استخدامها لحل مهام محددة. إذا تخلينا عن العالمية يمكن استخدام الحواسيب التناظرية كمسرعات قوية وموفرة للطاقة.
علاوة على ذلك، فإن مسألة التناظرية مقابل الرقمية أكثر دقة في المجال الكمي. فالمتصل والمنفصل مرتبطان ارتباطًا وثيقًا في الأنظمة الكمية. ربما سمعت عن ازدواجية الموجة/الجسيم. فالكيوبتات هي أجسام تناظرية حتى النقطة التي تقاس فيها وتصبح رقمية. هذا يعني أن الحواسيب الكمية، حتى الرقمية منها، ستكون دائمًا تناظرية إلى حد ما. نحن مقتنعون بأن الحواسيب الكمية يجب أن تتبنى هذه الازدواجية وتستغلها كمصدر.
الازدواجية الرقمية/التناظرية
تتمتع حواسيب باسكال الكمية بما يلي قدرات رقمية/تناظرية مزدوجة. تتبع العمليات الحسابية في معالجاتنا الكمومية ثلاث خطوات رئيسية. أولاً، نقوم بتشفير المعلومات المدخلة في مصفوفة ذرات محايدة. ثم نعالج المعلومات عن طريق أشعة الليزر المضبوطة بعناية. بعد ذلك، تتم قراءة الحالة النهائية، من خلال التقاط "صورة" للذرات، لاستخراج نتيجة الحوسبة. يمكن لحواسيبنا تشغيل خطوة المعالجة في الوضع الرقمي أو التناظري أو في مزيج من هذين الوضعين. وكما سنرى، سيسمح لنا ذلك بجني فوائد الحوسبة الكمية على المدى القريب والبعيد.
في النهج الرقمي، تتحلل الخوارزميات الكمية إلى سلسلة متتابعة من البوابات الكمية، من مجموعة من العمليات المحددة مسبقًا والمعايرة. في حواسيب PASQAL، يتم تحقيق هذه البوابات عن طريق تسليط نبضات ليزر قصيرة مضبوطة بدقة على الذرات المتعادلة.
الميزة الرئيسية للنهج الرقمي هي الشمولية. يمكن التعبير عن كل عملية ممكنة على حاسوب كمي على شكل تسلسل (محدود) من البوابات. تكمن المشكلة في أن الحواسيب الكمية الحالية لا يمكنها تنفيذ سوى تسلسلات قصيرة للغاية قبل أن تصبح النتائج غير موثوقة. هذا لأن البوابات الفردية صاخبة والأخطاء تتراكم. وبالتالي، فحتى الحواسيب الكمية الرقمية الكبيرة (متعددة الكيوبتات) لديها قدرات محدودة للغاية. في المقابل، فإن الوضع التناظري أقل تنوعًا إلى حد ما ولكنه أيضًا أقل عرضة للخطأ (الضوضاء). وكما هو الحال في الحالة الكلاسيكية، من المتوقع أن يحقق النهج التناظري ميزة مبكرة في تطبيقات محددة ولكنها حرجة.
نود هنا أن نؤكد على أن هذا النهج بشكل عام يختلف عن النهج التناظري الأكثر تقييدًا المسمى التلدين الكمومي - وهي تقنية تحسين متغير مستمر تم تطويرها بواسطة D-Wave ومجموعات أخرى (انظر الملحق 1).
إدراج 1: الحوسبة الكمية التناظرية مقابل التلدين الكمي
التلدين الكمي هو نموذج حسابي يسمح بحل فئة معينة من المشاكل - التحسين. وعلى الرغم من أنه من الناحية النظرية، يمكن تصوير أي مشكلة على أنها مشكلة تحسينية، إلا أنها أكثر ملاءمة للمهام التي لها هذا الشكل بالفعل. في التلدين الكمي، يتم إعداد سجل من العناصر الكمومية في حالة أولية. ثم من خلال عملية تناظرية تعتمد على الزمن، يتم تطوير النظام إلى حالة نهائية، وبعد ذلك تتم قراءة الحل. يجب أن يحدث هذا ببطء كافٍ للبقاء قريبًا من الحلول الجيدة للمشكلة. يمكن للحوسبة التناظرية العامة، من النوع الذي تستخدمه حواسيب الذرات المحايدة PASQAL، القيام بأكثر من ذلك: فإلى جانب مهام التحسين يمكن أيضًا معالجة مهام المحاكاة مثل تلك المهام في الكيمياء والفيزياء وهندسة المواد. علاوة على ذلك، وبالاقتران مع البوابات الرقمية (نهج رقمي تناظري)، يمكن للمرء أيضًا إجراء خوارزميات متغيرة مثل التعلم الآلي الكمومي وحل المعادلات التفاضلية وتحليل بيانات الرسم البياني.
الميزة الكمية التناظرية
يجسد الوضع التناظري لحواسيب باسكال حلم ريتشارد فاينمان باستخدام الأنظمة الكمومية الاصطناعية لمحاكاة الطبيعة. لقد تجاوزنا بالفعل القدرات الحاسوبية الكلاسيكية في محاكاة الأنظمة الفيزيائية في الوضع التناظري. لقد قمنا بمحاكاة مضادات المغناطيسية في مواد ثنائية الأبعاد بمقياس لا يمكن الوصول إليه باستخدام الأجهزة الكلاسيكية وقمنا بتنفيذ محاكيات قابلة للبرمجة لـ نموذجين مبدعين للمغناطيسية الكمية.
وترتكز هذه الإنجازات على قابلية التوسع التي لا مثيل لها في معالجاتنا الكمية للذرات المحايدة وقابلية التشويش في الوضع التناظري. إن قدرتنا على تشغيل مئات الكيوبتات بفعالية في الوضع التناظري هي المفتاح للوصول إلى ما هو أبعد من القدرات الكلاسيكية. علاوة على ذلك، يمكن لحواسيبنا الكمية تنفيذ مجموعة واسعة من العمليات التناظرية. وبالتالي، لدينا توازن إيجابي للغاية بين الشمولية والقدرة على مقاومة الأخطاء.
والآن، نتخذ خطوات حاسمة لجلب ميزة الكم التناظرية إلى التطبيقات الصناعية. أحد هذه الاتجاهات الواعدة جدًا هو حل المعادلات التفاضلية، وهو ما يحاكي تاريخ الحوسبة الكلاسيكية. ولتطوير هذا البرنامج، قدمنا معادلات تفاضلية قوية لحل المعادلات التفاضلية متوافقة مع الأجهزة الكمية على المدى القريب واختبرناها في مشاكل هندسية نموذجية، مثل نمذجة السلامة الهيكلية.
ومن المثير للاهتمام أن أداء حلولنا يتعزز عند تنفيذها في الوضع الرقمي/التناظري الهجين. بينما تُستخدم البوابات أحادية القوس لضبط وتوجيه المخرجات نحو الحل، هناك حاجة إلى عمليات متعددة القوس للاستفادة من قوة "التشابك"، وهو مورد غير متاح جوهريًا للحواسيب الكلاسيكية. في الوضع الرقمي، تتحلل عمليات التشابك هذه إلى عدد كبير من بوابات ثنائية القُبيت. ومع ذلك، في وضعنا التناظري، تعمل ديناميكيات التفاعل الطبيعي بين الذرات على تشابكها بكفاءة في وقت قصير مع أخطاء أقل. وهذا يسمح للنظام الكلي بالتطور نحو النتيجة المرجوة بكفاءة.
تُعد المعادلات التفاضلية بالغة الأهمية في مجموعة واسعة من الصناعات. وبالتالي، يمكن أن يكون تأثير الميزة الكمية في هذا المجال هائلاً. ولهذا السبب نعمل عن كثب مع المستخدمين النهائيين الصناعيين على هذه المسائل. على سبيل المثال، نحن نتعاون مع BMW لاستخدام حلولنا لنمذجة عملية تشكيل المعادن - وهي إحدى مهام التصنيع الأساسية لشركة صناعة السيارات.
لقد اعتمدنا أيضاً على وضعنا التناظري لتمكين تقنيات التعلم الآلي المعززة كمياً الجديدة. حتى الآن، انصب تركيزنا على المشاكل المتعلقة بالرسم البياني مع تطبيقات في الكيمياء والتمويل. نحن نعمل مع شركائنا في بنك كريدي أجريكول التجاري الدولي لتطبيق هذه الأساليب لتوقع تدهور مخاطر التعرض المالي. قدمنا طريقة طريقة نواة التطور الكمي (QEK)، والتي تستغل الميزات الفريدة لأجهزة PASQAL لحل مشكلات تصنيف الرسوم البيانية. يمكن أن توفر نواة التطور الكمي مزايا تتفوق على النواة الكلاسيكية من حيث الدقة والتكاليف الحسابية. على سبيل المثال، يطبق الباحثون في PASQAL طريقة QEK في طرق تقييم سمية المركبات، وتحديد مسارات التفاعل الكيميائي الأمثل، والتنبؤ بخصائص المواد متعددة البلورات.
الخاتمة
نحن في باسكال نتبنى الطبيعة التناظرية/الرقمية المزدوجة للحواسيب الكمية. سيستغرق الأمر سنوات قبل أن تصل الحواسيب الكمية الرقمية إلى كامل إمكاناتها. وهذا لا ينبغي أن يوقف ظهور الميزة الكمية. فقد منحتنا الحواسيب التناظرية الكلاسيكية قدرات حسابية خارقة قبل الثورة الرقمية بوقت طويل. ويمكن لأحفادهم الكمية أن تفعل الشيء نفسه.
من المستحيل اليوم تشبيك الكيوبتات وتشغيلها رقميًا، حتى بأعداد صغيرة. ولكن، في PASQAL، يمكننا القيام بذلك مع مئات الكيوبتات في الوضع التناظري لدينا اليوم. يستغل فريقنا هذه القدرة لمعالجة العديد من المشاكل المثيرة والنتائج واعدة للغاية. سنشارك نتائجنا معكم في الأشهر القادمة. ابقوا معنا!
معلومات أساسية عن باسكال
شركة PASQAL هي الشركة الرائدة في مجال تصنيع الحواسيب الكمومية ذات الذرات المتعادلة. تستخدم تقنيتنا ذرات فردية محتجزة بواسطة أشعة الليزر لإنشاء بتات كمومية وإجراء العمليات الحسابية عليها. نحن شركة متكاملة تقدم حلولاً تعمل بالطاقة الكمية لقطاعات مثل الطاقة والتنقل والرعاية الصحية والتكنولوجيا المتقدمة والتمويل.
