يعتقد العديد من الخبراء أنه بمجرد أن تصبح أجهزة الكمبيوتر الكمومية كبيرة بما يكفي وموثوقة بدرجة كافية لحل المشكلات المفيدة، فإن بنية النشر الأكثر شيوعًا ستكون جعلها بمثابة مسرعات لأجهزة الكمبيوتر العملاقة. وقد تم بالفعل تطوير العديد من الخوارزميات لتعمل على هذه البنية، بما في ذلك الخوارزمية الأكثر شهرة – خوارزمية شورز، والذي سيكسر يومًا ما العديد من أنظمة تشفير المفاتيح العامة الحالية.
ولتجربة هذا الترتيب في فنلندا، تعاون مركز الأبحاث التقنية الفنلندي (VTT) مع شركة CSC، التي تدير LUMI، أسرع كمبيوتر عملاق في أوروبا. تقوم VTT وCSC بتوصيل أجهزة الكمبيوتر الكمومية الأكبر حجمًا بشكل تدريجي بـ LUMI للسماح للمستخدمين بتجربة الخوارزميات التي ستحقق أفضل استفادة من كلا النوعين من أجهزة الكمبيوتر. يقوم الكمبيوتر الكلاسيكي بتخزين معظم البيانات وتنفيذ معظم الخطوات في الخوارزمية، ثم تسليم الخطوات الأخرى إلى الكمبيوتر الكمي ثم قراءة النتائج.
تم الانتهاء من أول كمبيوتر كمي لشركة VTT في عام 2021 واستخدم 5 كيوبت. ثم قاموا بالترقية إلى 20 كيوبت العام الماضي وتهدف إلى الوصول إلى 50 كيوبتًا بحلول نهاية عام 2024. وقد بدأت الجامعات والمنظمات البحثية بالفعل في استخدام الخدمة الهجينة لحل المشكلات التافهة.
يقول: “هذا نوع من التدريب للمستقبل”. فيل كوتوفيرتا، زعيم VTT الفريق الذي يطور الخوارزميات والبرمجيات الكمومية. “إنه يسمح للأشخاص الذين يطورون خوارزميات الحوسبة الفائقة بالبدء في التفكير فيما سيكونون قادرين على فعله عندما يعمل كمبيوتر كمي أكبر جنبًا إلى جنب مع كمبيوتر كلاسيكي. يمكنهم استخدام الخدمة الحالية لممارسة خوارزميات الكتابة.
“كنا أول من أنشأ التكوين الهجين في أوروبايقول كتوفيرتا: “لكن آخرين يتبعوننا”. وفي يونيو 2023، تم قبول المشروع الأوروبي المشترك HPC ستة مشاريع أخرى لبناء أبنية مماثلة. وستكون هذه في التشيك وفرنسا وألمانيا وإيطاليا وبولندا وإسبانيا.
تطوير فئات جديدة من الخوارزميات
Kotovirta مسؤول عن البحث في الخوارزميات الكمومية وتطوير البرامج لتمكين الوصول إلى الحوسبة الكمومية الخاصة بـ VTT. جزء من وظيفته هو توظيف المواهب الجديدة، وهو ما يقول إنه ليس بالأمر السهل. بعض الطلاب المتخرجين الموجودين بالفعل في فنلندا مهتمون بالحوسبة الكمومية، لكن ليس لديهم خبرة في العالم الحقيقي.
الأشخاص الذين لديهم خبرة عمل في فنلندا لديهم بالفعل وظيفة في مكان آخر في النظام البيئي، والأشخاص من خارج فنلندا مترددون في الانتقال إلى مناخ بارد. بعد قولي هذا، فإن بعض الغرباء معجبون بما فيه الكفاية بهذا النظام البيئي الفنلندي للتغلب على المخاوف التي قد تكون لديهم بشأن الطقس.
يقول كتوفيرتا: “إننا جميعًا نتعلم لأنه مجال جديد ويتغير طوال الوقت”. “هناك اختراعات جديدة ومنصات جديدة وأجهزة جديدة وخوارزميات جديدة وطرق جديدة للبرمجة. ولمواكبة ذلك، نحاول توظيف علماء الرياضيات والفيزياء وعلماء الكمبيوتر.
يقوم فريق Kotovirta بتطوير عدة أنواع من الخوارزميات للبنى الهجينة. إحداها عبارة عن مجموعة من مشكلات التحسين، تسمى التحسين الثنائي غير المقيد التربيعي (QUBO)، والتي يمكن حلها باستخدام التلدين الكمي أو خوارزميات التحسين التقريبي الكمي (QAOAs).
ويقول: “لقد بنينا خوارزميات كمومية لتحليل بيانات الرسم البياني وتحديد البنية المجتمعية للشبكات”. “تأتي البيانات من شبكات معقدة، مثل أنظمة الشبكات التكنولوجية أو البيولوجية.”
يقوم الفريق أيضًا بتطوير خوارزميات لكيمياء الكم، مع التركيز على تقليل تعقيد أ هاميلتونيان الجزيئي لتحسين محاكاة الجزيئات. وبالمثل، فهم يعملون على البيولوجيا التركيبية، حيث يقومون بتوليد بروتينات جديدة، مع بعض الميزات المرغوبة.
وهناك مجال آخر يتم التركيز عليه وهو التعلم الآلي الكمي – وخاصة التعلم الآلي المولد الكمي، وهي النماذج التي تتعلم من البيانات الموجودة لإنتاج عينات جديدة.
يقول كتوفيرتا: “لقد سمع معظم الناس عن الذكاء الاصطناعي التوليدي في سياق “الذكاء الاصطناعي المزيف”، حيث يتم استخدامه لإنشاء الصور والنصوص والصوت”. “يمكن تطبيق هذه التقنيات نفسها على العلوم، والتعلم من شيء موجود بالفعل لخلق شيء جديد. نحن نجد طرقًا لتحسين هذه التقنيات باستخدام الحوسبة الكمومية لإنتاج بروتينات جديدة.
تحديد موقع البلاد لمستقبل الكم
يقول كتوفيرتا: “الجزء الأصعب هو إثبات أن الآلات الكمومية لها فوائد أكثر من نظيراتها الكلاسيكية”. “إن أجهزة الكمبيوتر الكمومية الحالية هي أجهزة كمبيوتر حقيقية، ويمكنها إجراء حسابات حقيقية وحل مشاكل حقيقية.
“وبهذا المعنى، فإنهم يقومون بالفعل بأشياء مفيدة، ولكن المشكلة هي أن الأحجام صغيرة جدًا، لأن الأنظمة الحالية غير فعالة مقارنة بنظيراتها الكلاسيكية. لكي تتمكن أجهزة الكمبيوتر الكمومية من حل شيء ما بشكل أكثر كفاءة من أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية، يجب تحسين الدقة.
تشير الدقة إلى معدل نجاح عملية واحدة على جهاز كمبيوتر كمي. كلما زادت الإخلاصات، كان معدل نجاح الحساب الإجمالي أفضل. نحن حاليًا في عصر الأجهزة الكمومية المتوسطة الحجم (NISQ) الصاخبة، والتي أظهرت بالفعل أن الأجهزة الكمومية يمكنها محاكاة أشياء تكافح أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية لمحاكاتها. ومع ذلك، حتى الآن، النتائج تافهة لدرجة أنها لا تحل المشاكل الحقيقية.
يقول كتوفيرتا: “مع تحسن الدقة، فإننا نقترب من عصر الخوارزميات على نطاق المنفعة، والحوسبة الكمومية على نطاق المنفعة”. “سيحدث هذا عندما تكون الدقة جيدة بما يكفي لتشغيل خوارزميات معينة مصممة خصيصًا لطوبولوجيا الجهاز الذي تستخدمه. وهذا سيعطينا نتائج لا تستطيع أجهزة الكمبيوتر التقليدية تكرارها، ولكن فقط لحالات استخدام محددة للغاية.
ويمكن استخدام هذه الخوارزميات لمحاكاة الأنظمة الكمومية المتعلقة بعلوم المواد أو الكيمياء، على سبيل المثال. على الرغم من أنه لا يمكنك المطالبة بالميزة الكمية العامة، إلا أنه بالنسبة لحالات الاستخدام المحددة هذه، يمكنك إثبات الميزة. تتمثل استراتيجية فنلندا في إحداث فرق على المسرح العالمي من خلال حالات الاستخدام التي يمكن من خلالها تحقيق الميزة الكمية في المستقبل غير البعيد.
ليس من السهل على الدول الصغيرة التنافس مع الاقتصادات الأكبر. ومع ذلك، من الممكن بالنسبة لهم العثور على مكان يسمح لهم بالمساهمة بنشاط على نطاق عالمي في واحد أو أكثر من المجالات المحددة. ويقول: “في هذا الصدد، نحن نفعل الأشياء الصحيحة”. “نأمل أن نستمر في القيام بذلك في المستقبل.”
