تتسارع التطورات في الحوسبة الكمومية حيث يعالج العديد من اللاعبين قضايا مثل التبريد والتحكم. لا تستطيع أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية فعل كل شيء، ولهذا السبب توجد أجهزة الكمبيوتر الكمومية في المقام الأول.
والعكس صحيح أيضاً. لا تستطيع أجهزة الكمبيوتر الكمومية فعل كل شيء أيضًا. في الواقع، لا يمكنهم القيام بكل الأشياء التي يمكن للكمبيوتر الكلاسيكي القيام بها. ولكن عندما يتم الجمع بين الاثنين، تكون هناك كفاءات على كلا الجانبين.
“وحدة المعالجة الكمومية لا تفعل الكثير من تلقاء نفسها. يقول أوديد فيرثيم، مدير الهندسة في مزود نظام التحكم الكمي: “تحتاج إلى التفاعل معها، على سبيل المثال، لمعالجة حالة الكيوبت أو التسبب في التفاعل بين الكيوبتات”. آلات الكم. “للقيام بذلك، يمكنك القيام بذلك باستخدام نظام كلاسيكي يتمتع بقدرة حسابية. تقوم بإرسال إشارات من وإلى وحدة QPU. معظم الأشياء التي تفعلها في النهاية باستخدام الكيوبتات تتضمن نوعًا من العملية التكرارية حيث يؤدي التحكم الكلاسيكي بعض التفاعل.
على سبيل المثال، عند تنفيذ الدائرة، يرسل نظام التحكم مجموعة من النبضات التي تتفاعل مع المعالج الكمي. ثم يقوم النظام الكلاسيكي بقراءة النتائج وتحليلها وإرسال التعليمات وتكرر العملية. هذه هي الطريقة التي تتم بها معايرة الكيوبتات.
الجمع بين الأنظمة الكلاسيكية والكمية
نظرًا لأن أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية والكمية لها حدود، يتم استخدام الاثنين كحل مختلط. على سبيل المثال، يعد الكمبيوتر الكمي بمثابة مُسرِّع للكمبيوتر الكلاسيكي ويمكن لأجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية التحكم في الأنظمة الكمومية. ومع ذلك، هناك تحديات.
أحد التحديات هو أن أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية وأجهزة الكمبيوتر الكمومية تعمل في درجات حرارة محيطة مختلفة، مما يعني أن الكمبيوتر الكلاسيكي لا يمكنه العمل في بيئة قريبة من الصفر كلفن، ولا يمكن للكمبيوتر الكمي أن يعمل في بيئة كلاسيكية. ولذلك، الفصل بين الاثنين ضروري.
التحدي الآخر هو أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية صاخبة للغاية وبالتالي فهي عرضة للخطأ. ولمعالجة هذه المشكلة، ظهرت الحوسبة الكمومية الصاخبة متوسطة الحجم أو NISQ. الافتراض هو أنه يجب على المرء فقط قبول الأخطاء وإنشاء خوارزميات متغيرة. في هذا السياق، يمكن للمرء تخمين شكل الحل ثم محاولة تعديل معلماته باستخدام شيء مثل النزول التدرجي العشوائي، والذي يستخدم لتدريب الشبكات العصبية.
باستخدام نظام هجين، تكون العملية متكررة. يقيس الكمبيوتر الكلاسيكي حالة الكيوبتات ويحللها ويرسل تعليمات لما يجب فعله بعد ذلك. هذه هي الطريقة التي تعمل بها تكرارات تصحيح الخطأ الكمي الكلاسيكي على مستوى عالٍ.
“بعض الميزات المثيرة للاهتمام حقًا للحوسبة الكمومية تبدأ في التوفر إذا كان بإمكانك المشاركة في الحساب الكلاسيكي في نفس الوقت الذي تقوم فيه بالحساب الكمي. يقول جو فيتزسيمونز، المؤسس والرئيس التنفيذي: “أنت تقوم فقط بالتناوب بين الاثنين”. الأفق للحوسبة الكمومية، شركة تقوم ببناء أدوات تطوير برمجيات الكم. “لذا، إذا كنت تريد تصحيح خطأ كمبيوتر كمي، فعليك تشفير معلوماتك الكمومية عبر عدد كبير من الكيوبتات وإجراء قياسات المتلازمة على تلك البتات الكمومية، وقياس بعض المجموعات الفرعية من الكيوبتات التي تمنحك بعض المعلومات الكلاسيكية، وبعض البتات التي يمكنك استخدمه على جهاز الكمبيوتر الكلاسيكي الخاص بك لمعرفة الخطأ الذي حدث في النظام. وبعد ذلك، باستخدام الكمبيوتر الكمي الخاص بك، يمكنك تطبيق تصحيح الخطأ، ولكن يجب أن يحدث ذلك في مئات النانو ثانية أو الميكروثانية.
على سبيل المثال، جوجل الكم AI أظهر مؤخرًا نظامًا للذاكرة الكمومية أدى إلى تقليل معدلات الخطأ بشكل كبير، تعمل تحت العتبة الحرجة لتصحيح الخطأ الكمي الفعال. لقد حققوا متوسط زمن وصول لجهاز فك التشفير يبلغ 63 ميكروثانية.
الكمون هو مشكلة
نظرًا لأن أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية والكمية لا يمكنها العمل في نفس البيئة المادية، فيجب فصلها، لذلك يصبح زمن الوصول مشكلة. ومن خلال وضعها في غرف مختلفة، ولكن قريبة من بعضها البعض، من الممكن معالجة مشكلات بيئة التشغيل وزمن الوصول.
“لدينا المجاورة [systems]يقول فيرتهايم من شركة Quantum Machines: “على بعد أمتار أو متر”. “لدينا موارد كلاسيكية داخل نظام التحكم وتكامل محكم للغاية [with] المعالج الكمي الذي يسمح له بالتفاعل بكفاءة عالية. ويمكننا التفاعل مع المزيد من خوادم الكمبيوتر، مثل خوادم APC، والتي يمكن أن تكون بعيدة قليلاً. إحدى الأشياء التي قمنا بتحسينها هنا هي الواجهة بينهما. لذلك، نريد أن تكون الواجهة ذات زمن استجابة منخفض قدر الإمكان.
أوديد فيرتهايم، آلات الكم
إذا تمت محاولة نفس الشيء باستخدام خوادم متتالية ترسل التحليلات لكل بت كمي، وتخبر الكيوبت بما يجب فعله بعد ذلك، فسيصبح عرض النطاق الترددي مشكلة بسبب الكمية الهائلة من البيانات المرسلة إلى كل بت كمي.
يقول فيرثيم: “إن مفتاح الحساب الكمي الكلاسيكي هو واجهة فعالة للغاية تقوم بكل أنواع الحسابات في المكان المناسب”.
هناك أيضًا مشكلة المزامنة، وهي مشكلة توقيت. مثل آليات مزامنة الإشارات للتغلب على مشكلة أطوال التتبع المختلفة على الشريحة أو اللوحة الأم، على سبيل المثال، فإن الاتصالات بالبتات الكمومية الفردية لها أيضًا أطوال تتبع مختلفة.
“يمثل التحكم بحوالي 1000 كيوبت تحديًا لأنك تحتاج إلى النظام بأكمله ليعمل في تزامن مثالي. يقول فيرتهايم: “إذا أرسلت نبضة إلى الكيوبت وتأخرت بمقدار بيكو ثانية، فقد لا تفعل ما تريد أن تفعله”. “أنت بحاجة إلى المزامنة على المستوى التناظري وعلى مستوى تحميل المعالج.”
يعد تعدد الإرسال عبر سلك واحد أمرًا سهلاً، لكن إزالة تعدد الإرسال في الثلاجة الكمومية أمر صعب لأنه، في معظم الأحيان، هناك آثار فردية لكل مكعب لكل نظام مختلف. المشكلة في ذلك هي الحجم.
“إن نقل المنطق إلى الثلاجة أمر منطقي للغاية، وفي بعض الأحيان يكون مجرد تمكين تعدد الإرسال وإلغاء تعدد الإرسال. وفي أحيان أخرى، قد يكون الأمر أشياء مثل منطق تصحيح الأخطاء ولكن كيف يمكنك إنشائه؟ يقول فيتزسيمونز من Horizon Quantum Computing: “عليك أن تكون حذرًا للغاية بشأن عدم توليد حرارة داخل الثلاجة”. “تولد وحدات معالجة الرسوميات الكثير من الحرارة، لذلك إذا كنت تريد البقاء بمقدار جزء من مائة من الدرجة فوق الصفر المطلق، فإن كمية الحرارة التي يمكنك توليدها هي في الأساس لا شيء. الأمر الأكثر إثارة للاهتمام هو الحساب السريع الذي يحدث بين FPGAs [Field Programmable Gate Arrays] و ASICs [Application-Specific Integrated Circuits] بجوار النظام.”
التحكم في التدفق مهم أيضًا
إحدى القدرات التي افتقرتها أجهزة الكمبيوتر الكمومية حتى وقت قريب هي الحلقات، وهي شائعة في الحوسبة الكلاسيكية. في الكمبيوتر الكلاسيكي، يتكرر نفس الرمز حتى يتم استيفاء الشرط، على الرغم من أن عدد الحلقات غير معروف. نظرًا لأن أجهزة الكمبيوتر الكمومية تقرأ فقط مجموعة من التعليمات، فبعد تنفيذ التعليمات الأخيرة، تنتهي الحلقة وبالتالي تُعرف.
“إن مشكلة التوقف في الحوسبة التقليدية تأتي من حقيقة أنه يمكن أن يكون لديك وقت تشغيل غير محدد – لا يمكنك التنبؤ بالمدة التي سيستغرقها تنفيذ البرامج، وإذا قمت بتقييد نفسك من خلال إنشاء شكل من أشكال الحساب حيث تعرف دائمًا كيف يقول فيتزسيمونز: “يستغرق التنفيذ وقتًا طويلاً، فهناك بعض المشكلات التي يمكنك حلها والتي لم يعد بإمكانك حلها”.
هناك طريقتان لمعالجة المشكلة: الأولى هي وضع الكمبيوتر الكلاسيكي والكمبيوتر الكمي بالقرب من بعضهما واستخدام كتل من التعليمات للتنفيذ. على سبيل المثال، تضع اللغة ذات المستوى الأدنى في Horizon Quantum Computing كل التعليمات البرمجية في كتل، لذلك عند الوصول إلى نهاية الكتلة، هناك تعليمات تخبرها بكيفية اختيار الكتلة التي تريد الانتقال إليها بعد ذلك. وفقا لفيتزسيمونز، هذا يكفي لتحقيق التحكم في التدفق.
يقول فيتزسيمونز: “أنت بحاجة إلى أن يقرأ الكمبيوتر الكلاسيكي التعليمات الخاصة بالكتل: افعل هذا، وهذا، وهذا، ولكن بعد ذلك يجب أن يتم اتخاذ القرار بشأن أي كتلة سيتم الانتقال إليها بعد ذلك على الكمبيوتر الكلاسيكي”. “لا يمكن أن يحدث ذلك على الكمبيوتر الكمي لأنك لن تعرف أبدًا متى حدث ذلك. يجب على الكمبيوتر الكلاسيكي أن يتخذ قرارًا بالتوقف.
الحل الآخر هو أيضًا وجود كتل في البرنامج. ومع ذلك، فإن مشكلة تحويلها إلى دائرة هو أنه ليس من الواضح أي كتلة يجب تنفيذها بعد الكتلة الأولى.
جو فيتزسيمونز، حوسبة الأفق الكمومية
“ما نقوم به هو تنفيذ تلك الكتلة الأولى على الكمبيوتر الكمي ومعرفة نتائج القياس التي نحصل عليها من ذلك. ثم نقوم بالحساب الكلاسيكي لنقول إذا تم القيام بذلك بشكل متزامن، فماذا ستكون الكتلة التالية؟ الآن نحن نعرف كتلتين. نقوم بتنفيذ كلا الكتلتين على الكمبيوتر الكمي ونتحقق من أن هذه هي نفس النتائج التي حصلنا عليها في المرة الأولى. يقول فيتزسيمونز: “إذا لم يكن الأمر كذلك، فإننا نتخلص منه ونحاول مرة أخرى”. “عندما نحصل على واحدة تنجح في تكرار النتائج الأصلية، لدينا الآن قياسات للكتلة الثانية، وهذا يسمح لنا أن نقرر ما هي الكتلة الثالثة التي ستكون موجودة على كمبيوتر باسكال.”
ومع ذلك، فإن هذا النهج أقل كفاءة بكثير من الأول (وجود أجهزة كمبيوتر كلاسيكية وكمية متجاورة واستخدام مجموعات من التعليمات للتنفيذ)، لأنه يتم التخلص من الكثير من العمليات الحسابية على طول الطريق.
يقول فيتزسيمونز: «حتى لو أردنا فقط تقييم كمبيوتر كمي كبير بشكل موثوق، فنحن بحاجة إلى البدء في مزجه بالحسابات الكلاسيكية لتخفيف الأخطاء التي تحدث في النظام حتى نحصل على أجهزة أكثر موثوقية».
الخط السفلي
تكتسب الحوسبة الكمية الكلاسيكية الهجينة زخمًا من خلال تمكين الأنظمة من العمل بشكل تآزري. يتيح هذا المزيج معالجة أسرع لكميات هائلة من البيانات. كما أنه يفتح الباب أمام اختراقات جديدة ربما لم تكن ممكنة لولا ذلك.
ومع ذلك، لا يزال أمام الباحثين والموردين عمل يتعين عليهم القيام به لمواجهة التحديات المختلفة المتمثلة في الضوضاء في النظام الكمي، وزمن انتقال الاتصالات، وتصحيح الأخطاء، والمزيد.
