معیار تازه ای مشخص می کند که رایانش کوانتومی چه موقع بر ابررایانه ها غالب خواهد شد

در تحقیقی که با همکاری تیمی از مرکز پژوهشی «یولیش» واقع در آلمان انجام شده است، ۱۹ پردازندهٔ کوانتومی (QPU) متعلق به پنج شرکت از جمله IBM، کوانتینیوم، IonQ، Rigetti و IQM مورد ارزیابی قرار گرفته اند تا توانایی آن ها در زمینهٔ رایانش با ظرفیت بالا (HPC) مورد سنجش قرار گیرد.

بر اساس گزارش ایتنا و به نقل از سای تک دیلی، این آزمایش انجام شده بر روی پردازنده های کوانتومی از جنبه های «عرض» (تعداد کیوبیت ها) و «عمق» (تعداد لایه های دروازه های دوکیوبیتی) به تجزیه و تحلیل پرداخت. دروازه های دوکیوبیتی مجموعه عملیاتی هستند که به طور همزمان بر روی دو کیوبیت درهم تنیده اجرا می شوند و عمق به معنای میزان پیچیدگی و زمان مورد نیاز برای اجرای مدار به شمار می آید.

یافته ها نشان داد که پردازنده های IBM از نظر عمق کارکرد بهتری داشته اند، در حالی که کوانتینیوم در زمینهٔ عرض (با ارائهٔ تعداد بیشتری از کیوبیت ها) عملکرد برتری از خود نشان داد. همچنین، تراشه های جدید IBM به نام Heron نسبت به نسل قبلی خود (Eagle) پیشرفت قابل توجهی در زمینهٔ کارایی داشته اند.

جالب است که این تحقیق حاکی از آن است که پیشرفت های عملکرد نه تنها ناشی از بهبود سخت افزار است، بلکه بهینه سازی های نرم افزاری و استفاده از «دروازه های کسری» نیز به این روند کمک کرده اند. این دروازه ها که در تراشه های Heron موجود هستند، در کاهش پیچیدگی مدارها مؤثرند.

با این وجود، آخرین نسل از تراشه های Heron به نام IBM Marrakesh، با وجود اینکه دارای نرخ خطای کمتری نسبت به نسخهٔ پیشین (IBM Fez) است، نتوانسته به بهبود محسوس در عملکرد دست یابد.

گامی فراتر از رایانش کلاسیک

 در میان کمپانی های کوچک تر، کوانتینیوم با تراشهٔ H21 به موفقیت قابل توجهی نائل آمده است. این پردازنده موفق به عبور از یکی از معیارهای جدید با ۵۶ کیوبیت شده است؛ عددی که بیش از ظرفیت شبیه سازی دقیق سیستم های کلاسیک رایانه ای محسوب می شود.

پژوهشگران در متن پژوهش خود آورده اند: «آزمایش های به عمل آمده با ۵۰ و ۵۶ کیوبیت در پردازندهٔ Quantinuum H21 فراتر از ظرفیت محاسبات دقیق در سیستم های HPC بوده و نتایج به دست آمده نیز دارای معناداری باقی مانده اند.»

این تراشه توانست با به کارگیری الگوریتم بهینه سازی تقریبی کوانتومی با راه اندازی خطی (LRQAOA) در گستره ای وسیع کار کند. در یکی از آزمایش ها، سه لایه از این الگوریتم به کمک ۵۶ کیوبیت و ۴۶۲۰ دروازهٔ دوکیوبیتی پیاده سازی شد.

دانشمندان تصریح کردند: «تا آنجا که اطلاع داریم، این بزرگ ترین پیاده سازی الگوریتم QAOA برای حل یک مسئلهٔ ترکیبیاتی واقعی بر روی سخت افزار کوانتومی است که عملکرد آن فراتر از حدس تصادفی است.»

در عین حال، تراشهٔ Fez از IBM نیز در حوزهٔ عمق بهترین نتایج را به ثبت رسانده است. در آزمایش هایی که شامل یک مسئله با ۱۰۰ کیوبیت و با به کارگیری ۱۰هزار لایه از LRQAOA (معادل تقریبا یک میلیون دروازهٔ دوکیوبیتی) بود، تراشهٔ Fez با حفظ اطلاعات منسجم تا حدود ۳۰۰ لایه، خود را نشان داد. ضعیف ترین عملکرد در این بخش متعلق به تراشهٔ Ankaa2 از Rigetti بود.

معیاری برای آیندهٔ کاربردی رایانش کوانتومی

 هدف از طراحی این معیار، ارزیابی توانایی QPUها در کاربردهای واقعی بوده است. بر این اساس، تیم تحقیق سعی داشته آزمونی با قواعد روشن، قابلیت اجرا بر روی تمامی سیستم ها و قابل تکرار ایجاد کند.

این معیار بر پایهٔ مسئله ای به نام MaxCut تدوین شده است. در این مسئله، یک گراف با چندین رأس و یال در اختیار سیستم قرار داده شده و هدف تقسیم گره ها به دو دسته به گونه ای است که حداکثر تعداد یال میان این دو دسته قرار گیرد.

طبق اظهارات پژوهشگران، این مسئله نه تنها از دشواری محاسباتی بالایی برخوردار است، بلکه به لحاظ اندازه و پیچیدگی نیز قابل تنظیم می باشد، بنابراین به عنوان یک آزمون مناسب در نظر گرفته می شود.

هرگاه خروجی یک سیستم به مرحله ای برسد که به عنوان «کاملاً ترکیبی» شناخته شود بدین معنا که نتایج آن از یک تصادفی قابل تمایز نباشد آن سیستم مردود تلقی می شود.

به سبب سادگی و مقیاس پذیری پروتکل آزمایشی طراحی شده، اجرای آن به نسبت کم هزینه است و حتی با نمونه های کوچک می تواند نتایج معناداری ارائه دهد.

این معیار البته کامل نیست. به عنوان مثال، اتکای آن به پارامترهای ازپیش تعیین شده ممکن است به عنوان مانعی برای بهینه سازی در خلال محاسبات عمل کند. بدین سبب پژوهشگران پیشنهاد نموده اند که معیارهای دیگری نیز برای سنجش عملکرد معرفی شود تا در نهایت، بهترین و بهینه ترین آن ها با قواعد واضح باقی بماند.