محققان ۴۶ کوبیت را روی ابررایانه‌های برتر دنیا شبیه سازی کرده‌اند – فناوری

شبیه‌سازی کیوبیت‌ها روی ابررایانه‌ها امروزه بسیار مورد توجه قرارگرفته‌ و رکورد جهانی آن به سرعت در حال ارتقا است.

محققان از مرکز ابررایانه‌ی یولیش(آلمان)، دانشگاه ووهان (چین) و دانشگاه گرونیگن (هلند) اعلام کردند که رکورد جهانی را برای شبیه‌سازی تعداد کیوبیت‌ها روی ابر رایانه‌ی کلاسیک، شکسته‌اند. این تیم با قابلیت شبیه‌سازی ۴۶ کیوبیت، رکورد قبلی را که ۴۵ بود، شکست. آن‌ها هم‌چنین قادر به شبیه‌سازی ۳۲ کیوبیت روی لپ‌تاپ با رم ۱۶ گیگابایت هم بودند.

تشدید محدودیت‌های شبیه‌سازی کوانتومی روی ابر رایانه‌ها

در پی ادعای توسعه‌دهندگان رایانه‌ی کوانتومی مبنی بر اینکه رایانه‌های کوانتومی آنها به “برتری کوانتومی” رسیده‌اند، ابتدا باید حد بیشینه‌ی ابررایانه‌های کلاسیک را بدانیم. این محدودیت قبلا 45 کیوبیت بود که می توانست بر روی یک ابر رایانه شبیه‌سازی شود؛ اما محققان از ووهان، یولیش و دانشگاه گرونیگن توانستند یک کیوبیت بر آن بیافزایند و با حافظه‌ی بسیار کمتر، این کار را انجام دهند. اگر چه تفاوت بین ۴۵ تا ۴۶ کیوبیت ممکن است به نظر کوچک باشد، اما باید به این نکته اشاره کنیم که عملکرد مورد نیاز برای شبیه‌سازی کیوبیت‌ها به طور نمایی به ازای هر کیوبیت اضافه شده به ترکیب، رشد می‌کند. به طور معمول، در شرایط یکسان به ازای هر کیوبیتی که برای شبیه‌سازی اضافه می‌شود، باید حافظه‌ی مورد نیاز دوبرابر شود.

آی بی ام قبلا قادر به شبیه‌سازی ۵۶ کیوبیت در یک نوع باریک‌تر شبیه‌سازی بود که از مدارهای کوانتومی کم‌عمق استفاده می‌کرد. در حالی‌که رکورد جدید  شبیه‌سازی در مدارهای محاسباتی کوانتومی از هر نوعی به دست آمده است.

پروفسور مایکلسن، رهبر گروه پردازش اطلاعات کوانتومی در مرکز ابر رایانه‌ی یولیش آلمان، برای تامز هاردویر (Tom’s Hardware) تفاوت این دو را توضیح می‌دهد:

 شبیه‌ساز رایانه‌ی کوانتومی ما می‌تواند هر مدار کوانتومی را با ۴۶ کیوبیت، شبیه‌سازی کند. ما بردار همه جانبه، یعنی همه‌ی دامنه‌ی (توان ۲ تا ۴۶) بردار حالت کوانتوم را محاسبه کردیم. ازین رو، رایانه‌ی کوانتوم جهانی را شبیه‌سازی کردیم.

آی‌بی‌ام، دامنه‌های حالت کوانتوم را فقط برای خروجی‌های اندازه‌گیری شده محاسبه می‌کند و شواهد تجربی‌ای را ارائه می‌دهد که نشان می‌دهند که مشکل محاسبه دامنه‌های حالت کوانتومی برای نتایج اندازه گیری شده ممکن است به همان سرعتی که مورد انتظار است، نباشد (در عمل بسیاری از دامنه‌ها ممکن است صفر باشند). شواهد تجربی حاصل از شبیه‌سازی دو مدار جهانی کوانتومی تصادفی ، از یک مورد با عمق ۲۷ برای ۴۹ کیوبیت و یک مورد با عمق ۲۳ برای ۵۶ کیوبیت، مشتق می‌شوند.

 عمق مدار، تعداد لایه‌هایی است که مدار را می‌توان به صورت زیر تقسیم کرد: دروازه‌هایی که بر روی کیوبیت‌ها در هر لایه‌ی داده شده بدون هیچ همپوشانی‌ای کار می‌کنند. وی هم‌چنین افزود: محدودیت‌های آی‌بی‌ام در قالب تعداد کیوبیت‌ها یا عمق مدار، هنوز مشخص نیست.

شبیه‌سازی چگونه حاصل می‌شود؟

محققان از هر دو ابررایانه‌ی یولیش(JUQUEEN) و همچنین سریع‌ترین ابر رایانه در جهان، Sunway TaihuLight چین استفاده کردند.

 پروفسور مایکلسن، خاطر نشان کرد که تنها چند ابررایانه وجود دارند که‌ تاکنون یک شبیه‌سازی با ۴۵ کیوبیت  انجام داده باشند؛ زیرا تعداد کمی از آن‌ها حافظه‌ی موردنیاز، گره‌های محاسباتی و اتصالات شبکه‌ی به اندازه کافی سریع برای انجام شبیه‌سازی را دارند.

وی افزود: نرم افزار نیز بسیار مهم است؛ چرا که باید قادر باشد شبیه‌سازی را به صورت موثر اجرا کند.

 مایکلسن گفت که تیمش نرم‌افزاری را توسعه می‌دهد که تقریبا به طور کامل روی میلیون‌ها گره‌ی محاسباتی کار می‌کند و هیچ گونه نقصانی در عملکرد ندارد. وی اولین کسی بود که ۴۲ کیوبیت را در سال ۲۰۱۰ روی ابررایانه‌های نسل قبلی یولیش شبیه‌سازی کرد و توانست در سال ۲۰۱۲ با یک شبیه‌سازی ۴۳ کیوبیتی، رکوردش را بهبود بخشد.

 علاوه بر استفاده از یک ابر رایانه‌ی قوی‌تر برای شبیه‌سازی ۴۶ کیوبیت، محققان هم‌چنین قادر به استفاده از تنها ۲ بایت اطلاعات برای نشان دادن حالت کیوبیت بودند که از ۱۶ بایتی که قبلا مورد نیاز بود کمتر است. این همان چیزی است که اکنون به ۳۲ کیوبیت اجازه نمی‌دهد که در یک لپ‌تاپ با تنها ۱۶ گیگابایت حافظه شبیه‌سازی شوند.

 درمقایسه، Rigetti، یکی از استارت‌آپ‌های محاسبات کوانتومی، در ابتدا قادر به شبیه‌سازی تنها ۳۰ کیوبیت بود؛ اما اکنون می‌تواند ۳۶ کیوبیت را شبیه‌سازی کند. مایکروسافت در ابتدا ۳۰  کیوبیت شبیه‌سازی ارائه داد، اما اکنون می‌تواند ۴۰ شبیه‌سازی کیوبیت ارائه کند. آخرین کشف یولیش ممکن است این شرکت‌ها را مجبور کند تعداد کیوبیت های شبیه‌سازی‌شده‌شان را حتی بالاتر هم ببرند.

 محققان یولیش هم چنین معتقدند که توانایی شبیه‌سازی تعداد نسبتا زیادی از کیوبیت‌ها که در حال حاضر اجرا می‌شوند را دارند؛ به این معنی که توسعه‌دهندگان می توانند از لحظه‌ای که در کوانتوم به برتری می‌رسند، آن را با الگوریتم‌هایی که روی رایانه‌های کوانتومی کار می‌کنند آزمایش کنند و ثابت کنند که می‌توانند کاربردی‌تر هم باشند.