رکوردشکنی کوانتینیوم در حفظ همدوسی در مقیاس بی‌سابقه

یک مطالعه جدید نشان می‌دهد که پردازنده کوانتومی H۲-۱ شرکت کوانتینیوم موفق شده است در یک مسئله MaxCut با ۵۶ کیوبیت، محاسبات همدوس را حفظ کند؛ عملکردی که فراتر از توان شبیه‌سازی کلاسیک است.

به گزارش کوانتوم اینسایدر، این آزمایش از الگوریتم ساده‌شده‌ای به نام QAOA با شیب خطی (LR-QAOA) استفاده کرد و در ۱۹ سیستم کوانتومی از پنج شرکت مختلف اجرا شد. نتایج نشان داد که کوانتینیوم توانایی بالایی در حفظ همدوسی در مقیاس‌های بزرگ‌تر دارد، در حالی که سیستم Fez شرکت IBM در اجرای مدار‌های عمیق‌تر، با بیش از ۱۰ هزار لایه عملکرد بهتری داشت.

عبور کوانتینیوم از مرز‌های شبیه‌سازی کلاسیک

مطالعه جدید که توسط محققان مرکز تحقیقات یولیخ و دانشگاه پردو انجام شده و در arXiv منتشر شده است، نشان می‌دهد که پردازنده H۲-۱ کوانتینیوم توانسته است یک آزمون کوانتومی را با موفقیت پشت سر بگذارد. در این آزمایش، مسئله MaxCut روی یک مدار ۵۶ کیوبیتی کاملاً متصل اجرا شد. در این فرآیند، بیش از ۴۶۰۰ گیت دوکیوبیتی استفاده شد، بدون اینکه مدار به نویز تصادفی تخریب شود. به گفته محققان، این بزرگ‌ترین مسئله‌ای است که تاکنون با سخت‌افزار واقعی کوانتومی حل شده و نتایج معناداری ارائه داده است.

محققان در مقاله خود نوشتند: "در مورد پردازنده H۲-۱ کوانتینیوم، آزمایش‌های ۵۰ و ۵۶ کیوبیتی از توان شبیه‌سازی دقیق در سیستم‌های HPC فراتر رفته و همچنان نتایج معناداری تولید کرده‌اند. "

ارزیابی چالش‌های مقیاس‌پذیری در پردازنده‌های کوانتومی

این مطالعه با هدف بررسی عملکرد رایانه‌های کوانتومی در مواجهه با چالش‌های عرض و عمق مدار انجام شد. برای این منظور، ۱۹ واحد پردازش کوانتومی (QPU) از شرکت‌های IBM، IonQ، کوانتینیوم، Rigetti و IQM مورد آزمایش قرار گرفتند.

آزمون اصلی از QAOA با شیب خطی (LR-QAOA) استفاده کرد، که نسخه‌ای ساده‌تر از الگوریتم تقریبی بهینه‌سازی کوانتومی (QAOA) است. در حالی که روش‌های متغیر معمولاً به تنظیم پارامتر‌ها نیاز دارند، این نسخه از برنامه‌های گیتی خطی و ثابت بهره می‌برد. ویژگی‌های سادگی، مقیاس‌پذیری و قابلیت اجرا روی پلتفرم‌های مختلف دلیل انتخاب این روش بود.

آزمون از هر سیستم خواست تا نسخه‌هایی از مسئله MaxCut را حل کند؛ مسئله‌ای که شامل تقسیم یک گراف به دو گروه به نحوی است که مجموع وزن یال‌های بین آنها حداکثر شود. این مسئله در مقیاس بزرگ برای رایانه‌های کلاسیک چالش‌برانگیز است و معیار مناسبی برای سنجش توان کوانتومی محسوب می‌شود.

H۲-۱ کوانتینیوم موفق شد این آزمایش را در مقیاس ۵۶ کیوبیتی، با اجرای سه لایه از LR-QAOA شامل ۴۶۲۰ گیت دوکیوبیتی، پشت سر بگذارد.

محققان نوشتند: "تا جایی که اطلاع داریم، این بزرگ‌ترین پیاده‌سازی QAOA برای حل یک مسئله بهینه‌سازی ترکیبی کاملاً متصل روی سخت‌افزار واقعی کوانتومی است که نتایج بهتری از حدس تصادفی ارائه داده است. "

IBM در اجرای مدار‌های عمیق‌تر برتری نشان داد

در حالی که کوانتینیوم توانست همدوسی را در مقیاس‌های بزرگ‌تر حفظ کند، IBM عملکرد بهتری در اجرای مدار‌های عمیق‌تر داشت. این شرکت توانست مسئله‌ای با ۱۰۰ کیوبیت را روی پردازنده ibm fez با ۱۰ هزار لایه از LR-QAOA اجرا کند؛ معادل تقریباً یک میلیون گیت دوکیوبیتی.

هرچند سیستم در نهایت دچار گرمایش (thermalization) شد—یعنی کیوبیت‌ها همدوسی خود را از دست داده و به حالت‌های کم‌انرژی و غیرمفید رسیدند—اما برخی از اطلاعات کوانتومی تا حدود ۳۰۰ لایه باقی ماندند.

به گفته محققان، برای ۱۰۰۰ نمونه از مدار LR-QAOA با p = ۱۰,۰۰۰، زمان اختصاص‌یافته به QPU ۲۱ ثانیه بود. البته این مقدار شامل زمان صف‌بندی یا پردازش کلاسیک نمی‌شود. این آزمایش، بزرگ‌ترین آزمایش از نظر تعداد گیت‌های اجراشده تاکنون محسوب می‌شود.

دستگاه‌های نسل جدید Heron شرکت IBM در مقایسه با چیپ‌های قدیمی‌تر Eagle در هر دو آزمایش عمق و عرض مدار عملکرد بهتری داشتند. علاوه بر این، گیت‌های کسری (fractional gates) که در پردازنده‌های Heron معرفی شدند، تعداد گیت‌های دوکیوبیتی موردنیاز را به نصف کاهش دادند و اجازه دادند مدار‌های طولانی‌تر با تجمع خطای کمتر اجرا شوند.

برای مثال، ibm fez توانست در یک مسئله زنجیره‌ای ۱۰۰ کیوبیتی، نسبت تقریب ۰.۸۰۸ را به دست آورد، در حالی که پردازنده‌های قدیمی‌تر IBM معمولاً در فراتر از ۲۰ کیوبیت یا ۱۰۰ لایه دچار افت عملکرد می‌شدند.

مقایسه معماری‌های مختلف کوانتومی

این مطالعه همچنین برخی تفاوت‌های معماری در سیستم‌های کوانتومی را نشان داد:

یون‌های به دام افتاده (trapped ion) مانند کوانتینیوم و IonQ دارای دقت بالا و اتصال کامل بین کیوبیت‌ها هستند که آنها را برای مسائل کاملاً متصل مناسب می‌کند. اما محدودیت‌هایی مانند سرعت پایین گیت‌ها و محدودیت تعداد گیت‌های کل دارند.

کیوبیت‌های ابررسانا (superconducting qubits) که در IBM، IQM و Rigetti استفاده می‌شوند، سرعت بالاتری دارند، اما در افزایش عمق مدار با مشکل تجمع نویز مواجه می‌شوند.

ابزار جدیدی برای ارزیابی رایانه‌های کوانتومی

محققان پیشنهاد کردند که LR-QAOA می‌تواند به عنوان یک ابزار قابل‌اعتماد و مقیاس‌پذیر برای سنجش عملکرد رایانه‌های کوانتومی به کار رود.

آنها در مقاله خود نوشتند: "باید معیار‌های سنجش مختلفی پیشنهاد شود تا جنبه‌های اساسی عملکرد رایانه‌های کوانتومی را پوشش دهد. "

ویژگی مهم این معیار این است که با استفاده از پارامتر‌های ثابت و بدون نیاز به تنظیمات پیچیده، به‌راحتی روی پلتفرم‌های مختلف اجرا می‌شود. در واقع، حتی با تنها هفت نمونه روی پردازنده H۲-۱ کوانتینیوم، محققان توانستند نتایج معناداری را از خروجی‌های تصادفی تشخیص دهند.

این آزمایش نشان داد که با رشد سامانه‌های کوانتومی، معیار‌های سنجش قابل‌اعتماد، مقیاس‌پذیر و شفاف، برای پیگیری پیشرفت فناوری کوانتومی ضروری هستند.

محققان قصد دارند در گام‌های بعدی:

پارامتر‌های زمان‌بندی را بهینه کنند. راهکار‌های جدیدی برای مسیریابی مدار ارائه دهند و آزمایش‌ها را روی مسائل بهینه‌سازی دیگر گسترش دهند.

نسخه کامل مقاله در arXiv منتشر شده است. این مقاله هنوز تحت داوری رسمی علمی قرار نگرفته است.

انتهای پیام/