تويت
أعلنت شركة IBM تجاوزها عقبةً كبيرةً في جهودها لجعل الحوسبة الكمومية مفيدةً، إذ لديها الآن معالج كمومي يُسمى Eagle مع 127 بت كمومي وظيفي. ويجعلها ذلك أول شركة تتجاوز علامة 100 بت كمومي، وهذا إنجاز مثير للاهتمام، لأن تفاعلات العديد من البتات الكمومية لا يمكن محاكاتها باستخدام أجهزة وخوارزميات الحوسبة الكلاسيكية اليوم.
ولكن ما قد يكون أكثر أهميةً، هو أن شركة IBM لديها الآن خريطة طريق تجعلها تنتج أول معالج ذي 1000 بت كمومي في غضون عامين. ووفقًا لمدير الأبحاث في شركة IBM داريو جيل، فإن هذه هي نقطة التحول التي ستبدأ منها الحسابات التي تُجرى باستخدام الأجهزة الكمومية في أن تكون مفيدة.
ما الجديد؟
قال جيل إن عدد البتات الكمومية الجديد هو نتاج كثير من التطورات التي جُمعت معًا لأول مرة. إحداها أن IBM تحولت إلى ما تسميه تخطيط بتات كمومية (سداسي ثقيل) الذي أعلنت عنه في عام 2021. يربط هذا التخطيط البتات الكمومية في مجموعة من الأشكال السداسية ذات الجوانب المشتركة. في هذا التخطيط، ترتبط البتات الكمومية باثنين أو ثلاثة أو أربعة جيران بالحد أقصى. إن مستوى الاتصال في هذا يقل عن بعض التصاميم المنافسة. لكن جيل أصر على أن هذه المقايضة تستحق العناء، قائلًا: «إنها تقلل من مستوى الاتصال، لكنها تحسن التواصل المتبادل كثيرًا».
يعني هذا التحسين أنه من غير المرجح أن تؤثر البتات الكمومية على جيرانها بطرق قد تؤدي إلى حدوث أخطاء. وقد سمح ذلك لشركة IBM بزيادة كثافة البتات الكمومية على الشريحة الواحدة.
بينما تظل البتات الكمومية على طبقة واحدة داخل المعالج، يستخدم المعالج كليّا طبقات إضافية لاحتواء أسلاك حاملة للإشارة، تسمح بالتحكم في وحدات البتات الكمومية وقراءتها. هذا شائع في الرقائق التقليدية، ولكنه جديد في عالم الحوسبة الكمومية. بالوسع أيضًا أن تحمل هذه الأسلاك إشارات مضاعفة.
يعد هذا أمرًا بالغ الأهمية، نظرًا لأن الأسلاك التي تحمل هذه الإشارات ضخمة بما يكفي، لدرجة أنها تهدد بالحد من عدد البتات الكمومية لكل شريحة، ويعني ذلك ببساطة أنه عند ارتفاع عدد الجزيئات الكمومية لن توجد مساحة فعلية كافية في عبوة الشريحة لجميع الأسلاك اللازمة في تخطيط (سلك واحد لكل بت كمومي واحد).
تضمنت التطورات الرئيسية الأخرى التي أبرزها جيل القدرة على ضبط ترددات الموجات الدقيقة التي يستجيب لها كل بت كمومي بمفرده، ما يمنع ما يسمى بالاصطدامات، فمن الممكن لإشارة موجهة إلى بت كمومي واحد أن تغير سلوك الآخرين. وقال جيل أن المترجم الكمومي (البرنامج الذي يسلسل ترتيب العمليات التي تؤدي عملية حسابية على العتاد الكمومي) قد يساعد أيضًا على تجنب الاصطدامات.
أخيرًا، خفضت شركة IBM على معدل الخطأ للوحدة الوظيفية الأساسية لهذا الجهاز (البوابة المكونة من بتين كموميين) إلى 0.001، وهذا أمر بالغ الأهمية لأنه إذا ظلت معدلات الخطأ ثابتةً في أثناء زيادة عدد الجزيئات الكمومية، فمن المحتمل أن تتعرض المزيد من العمليات الحسابية للأخطاء.
ماذا سيحدث؟
من حيث الاستخدامات العملية، لا يغير معالج Eagle الأشياء تغييرًا كبيرًا، من المحتمل أن تظهر بعض الأشياء الشيقة التي تستطيع القيام بها على هذا الجهاز بسهولة أكبر من القيام بها على معالج أصغر، لكننا لم نصل أساسيًا إلى النقطة التي نستطيع فيها إجراء حسابات مفيدة بطريقة منتظمة، خصوصًا تلك التي ستكون مستحيلة على أجهزة الكمبيوتر التقليدية. ويُعد Eagle من نواحي كثيرة أكثر أهميةً بوصفه علامةً فارقةً على خريطة طريق IBM، فهي تتوقع معالجًا يزيد عن 400 بت كمومي عام 2022 وآخر يحتوي على أكثر من 1000 عام 2023.
كان وضع كل التقنيات معًا في حزمة واحدة في Eagle بمثابة التوثق المهم من صحة خريطة الطريق هذه. وقال جيل: «لدينا ثقة قوية في أن خريطة الطريق لعام 2022 التي تقدم نظام 433 بت كمومي، والعام الذي يليه بإنشاء نظام بأكثر من 1000 بت كمومي سيكون تحقيقها ممكنًا».
بصرف النظر عن ارتفاع عدد البتات الكمومية، سلط جيل الضوء أيضًا على انخفاض معدل الخطأ. وإذا افترضنا أن هذا المعدل استمر في الانخفاض بالوتيرة نفسها التي كان عليها خلال السنوات الماضية، قال جيل إنه يجب أن يصل إلى 0.0001 في نفس الوقت تقريبًا الذي تظهر فيه معالجات 1000 بت كمومي. وسيكون ذلك كافيًا لبعض مستويات التحكم في الخطأ و / أو التصحيح، وسيزيد من أنواع الخوارزميات التي نستطيع تشغيلها على المعالجات المستقبلية.
تقول شركة IBM أن ذلك، جنبًا إلى جنب مع التحسينات المستمرة في برنامج التحويل البرمجي والتحكم، سيغير أساسيًا من استخدامات الحوسبة
الكمومية. قال جيل: «أظن أننا واثقون تمامًا من أننا سنكون قادرين على إثبات الميزة الكمومية لبعض حالات الاستخدام القيّمة في أثناء العامين المقبلين».
هذا لا يعني أن كل شيء سيعمل بطريقة أفضل بين عشية وضحاها إذا ما شُغل على أجهزة كمومية، بدلاً من ذلك، قال جيل إن الانتقال من حالتنا الحالية (عدد صغير من البتات المعرضة للخطأ) سيكون تدريجيًا. وستبدأ بعض التطبيقات المحددة في العمل بكفاءة أكبر على العتاد الكمومي في المستقبل القريب. وبمرور الوقت ومع إجراء المزيد من التحسينات، سنرى عددًا متزايدًا من التطبيقات التي تحظى بما أطلق عليه جيل ميزة كمومية، لكن لن يظهر أي نوع من التغيير بين عشية وضحاها.
ما بعد البت
في حين أن طبيعة المعالجات الكمومية التي تظهر مزايا كمومية غير محددة في خريطة طريق IBM، بدأت IBM للمرة الأولى في الحديث عما قد يأتي أبعد من ذلك بكثير، والذي يُطلق عليه النظام الكمومي 2.
في حين ينصب أن معظم التركيز الآن على المعالجات الكمومية وخصائصها، فإن IBM تبدأ في إعداد الأجهزة التي لم تتغير إلى حد كبير خلال أجيال من الرقائق. يتضمن ذلك أجهزة الكمبيوتر التقليدية التي تحل المشكلة وتفرز تسلسل إشارات التحكم، والأسلاك التي تنقل الإشارات إلى المعالج وأجهزة التبريد وما إلى ذلك. تطلق شركة IBM على هذا النوع من الإعدادات بالنظام الكمومي 1.
قال جيل إنه يحتوي على الكثير من الخصائص. أما بالنسبة لجهاز التبريد، المسمى ناظم البرد، الذي قد تكون فيه المساحة محدودة، فإن شركة IBM تجرب بالفعل بناء ناظم برد كبير جدًا. قال جيل: «نظن أننا داخل ناظم برد سنكون قادرين على بناء آلات كبيرة جدًا بمعنى مئات الآلاف، وربما مليون بت كمومي. قد يتطلب ذلك توصيل معالجات متعددة معًا في جهاز كمبيوتر كمومي واحد أكبر بكثير».
لكن في مرحلة ما، قد نرغب في تجاوز نموذج النظام الكمومي 1 وتطوير القدرة على توزيع العمليات الحسابية بين ناظمي البرد، وهذا ليس أمرًا سهلًا. قال جيل إن شركة IBM تتوقع أن تحتاج إلى تحويل ترددات الميكروويف المستخدمة للتحكم في البتات الكمومية إلى الترددات الضوئية المستخدمة لنقل البيانات، ثم عكس العملية عند نقطة التجمد، كل ذلك مع الحفاظ على أي تشابك. قال جيل: «لم يُخترع هذا الجهاز بعد»، مشيرًا إلى عدم وجود فيزياء معروفة تمنعه من العمل.
من الواضح أن كل هذا لا يزال بعيدًا قليلًا، وفي السنوات القليلة المقبلة، سيكون السؤال الكبير هو هل بإمكان IBM البقاء على خريطة الطريق الخاصة بها؟
وهل تتمكن إحدى التقنيات المنافسة من زيادة أعداد البتات الكمومية؟ وقد ثبت أن الأجهزة الأيونية لها إمكانية اتصال عالية ومعدلات خطأ منخفضة جدًا، وهما مجالان لا تكون فيهما أجهزة IBM بنفس القوة. لكننا لم نرَ بعده إن كان بإمكانهم التوسع بسرعة كافية للبقاء في المنافسة مع توقعات IBM للنمو السريع في عدد البتات الكمومية.
المصدر:ibelieveinsci
ولكن ما قد يكون أكثر أهميةً، هو أن شركة IBM لديها الآن خريطة طريق تجعلها تنتج أول معالج ذي 1000 بت كمومي في غضون عامين. ووفقًا لمدير الأبحاث في شركة IBM داريو جيل، فإن هذه هي نقطة التحول التي ستبدأ منها الحسابات التي تُجرى باستخدام الأجهزة الكمومية في أن تكون مفيدة.
ما الجديد؟
قال جيل إن عدد البتات الكمومية الجديد هو نتاج كثير من التطورات التي جُمعت معًا لأول مرة. إحداها أن IBM تحولت إلى ما تسميه تخطيط بتات كمومية (سداسي ثقيل) الذي أعلنت عنه في عام 2021. يربط هذا التخطيط البتات الكمومية في مجموعة من الأشكال السداسية ذات الجوانب المشتركة. في هذا التخطيط، ترتبط البتات الكمومية باثنين أو ثلاثة أو أربعة جيران بالحد أقصى. إن مستوى الاتصال في هذا يقل عن بعض التصاميم المنافسة. لكن جيل أصر على أن هذه المقايضة تستحق العناء، قائلًا: «إنها تقلل من مستوى الاتصال، لكنها تحسن التواصل المتبادل كثيرًا».
يعني هذا التحسين أنه من غير المرجح أن تؤثر البتات الكمومية على جيرانها بطرق قد تؤدي إلى حدوث أخطاء. وقد سمح ذلك لشركة IBM بزيادة كثافة البتات الكمومية على الشريحة الواحدة.
بينما تظل البتات الكمومية على طبقة واحدة داخل المعالج، يستخدم المعالج كليّا طبقات إضافية لاحتواء أسلاك حاملة للإشارة، تسمح بالتحكم في وحدات البتات الكمومية وقراءتها. هذا شائع في الرقائق التقليدية، ولكنه جديد في عالم الحوسبة الكمومية. بالوسع أيضًا أن تحمل هذه الأسلاك إشارات مضاعفة.
يعد هذا أمرًا بالغ الأهمية، نظرًا لأن الأسلاك التي تحمل هذه الإشارات ضخمة بما يكفي، لدرجة أنها تهدد بالحد من عدد البتات الكمومية لكل شريحة، ويعني ذلك ببساطة أنه عند ارتفاع عدد الجزيئات الكمومية لن توجد مساحة فعلية كافية في عبوة الشريحة لجميع الأسلاك اللازمة في تخطيط (سلك واحد لكل بت كمومي واحد).
تضمنت التطورات الرئيسية الأخرى التي أبرزها جيل القدرة على ضبط ترددات الموجات الدقيقة التي يستجيب لها كل بت كمومي بمفرده، ما يمنع ما يسمى بالاصطدامات، فمن الممكن لإشارة موجهة إلى بت كمومي واحد أن تغير سلوك الآخرين. وقال جيل أن المترجم الكمومي (البرنامج الذي يسلسل ترتيب العمليات التي تؤدي عملية حسابية على العتاد الكمومي) قد يساعد أيضًا على تجنب الاصطدامات.
أخيرًا، خفضت شركة IBM على معدل الخطأ للوحدة الوظيفية الأساسية لهذا الجهاز (البوابة المكونة من بتين كموميين) إلى 0.001، وهذا أمر بالغ الأهمية لأنه إذا ظلت معدلات الخطأ ثابتةً في أثناء زيادة عدد الجزيئات الكمومية، فمن المحتمل أن تتعرض المزيد من العمليات الحسابية للأخطاء.
ماذا سيحدث؟
من حيث الاستخدامات العملية، لا يغير معالج Eagle الأشياء تغييرًا كبيرًا، من المحتمل أن تظهر بعض الأشياء الشيقة التي تستطيع القيام بها على هذا الجهاز بسهولة أكبر من القيام بها على معالج أصغر، لكننا لم نصل أساسيًا إلى النقطة التي نستطيع فيها إجراء حسابات مفيدة بطريقة منتظمة، خصوصًا تلك التي ستكون مستحيلة على أجهزة الكمبيوتر التقليدية. ويُعد Eagle من نواحي كثيرة أكثر أهميةً بوصفه علامةً فارقةً على خريطة طريق IBM، فهي تتوقع معالجًا يزيد عن 400 بت كمومي عام 2022 وآخر يحتوي على أكثر من 1000 عام 2023.
كان وضع كل التقنيات معًا في حزمة واحدة في Eagle بمثابة التوثق المهم من صحة خريطة الطريق هذه. وقال جيل: «لدينا ثقة قوية في أن خريطة الطريق لعام 2022 التي تقدم نظام 433 بت كمومي، والعام الذي يليه بإنشاء نظام بأكثر من 1000 بت كمومي سيكون تحقيقها ممكنًا».
بصرف النظر عن ارتفاع عدد البتات الكمومية، سلط جيل الضوء أيضًا على انخفاض معدل الخطأ. وإذا افترضنا أن هذا المعدل استمر في الانخفاض بالوتيرة نفسها التي كان عليها خلال السنوات الماضية، قال جيل إنه يجب أن يصل إلى 0.0001 في نفس الوقت تقريبًا الذي تظهر فيه معالجات 1000 بت كمومي. وسيكون ذلك كافيًا لبعض مستويات التحكم في الخطأ و / أو التصحيح، وسيزيد من أنواع الخوارزميات التي نستطيع تشغيلها على المعالجات المستقبلية.
تقول شركة IBM أن ذلك، جنبًا إلى جنب مع التحسينات المستمرة في برنامج التحويل البرمجي والتحكم، سيغير أساسيًا من استخدامات الحوسبة
الكمومية. قال جيل: «أظن أننا واثقون تمامًا من أننا سنكون قادرين على إثبات الميزة الكمومية لبعض حالات الاستخدام القيّمة في أثناء العامين المقبلين».
هذا لا يعني أن كل شيء سيعمل بطريقة أفضل بين عشية وضحاها إذا ما شُغل على أجهزة كمومية، بدلاً من ذلك، قال جيل إن الانتقال من حالتنا الحالية (عدد صغير من البتات المعرضة للخطأ) سيكون تدريجيًا. وستبدأ بعض التطبيقات المحددة في العمل بكفاءة أكبر على العتاد الكمومي في المستقبل القريب. وبمرور الوقت ومع إجراء المزيد من التحسينات، سنرى عددًا متزايدًا من التطبيقات التي تحظى بما أطلق عليه جيل ميزة كمومية، لكن لن يظهر أي نوع من التغيير بين عشية وضحاها.
ما بعد البت
في حين أن طبيعة المعالجات الكمومية التي تظهر مزايا كمومية غير محددة في خريطة طريق IBM، بدأت IBM للمرة الأولى في الحديث عما قد يأتي أبعد من ذلك بكثير، والذي يُطلق عليه النظام الكمومي 2.
في حين ينصب أن معظم التركيز الآن على المعالجات الكمومية وخصائصها، فإن IBM تبدأ في إعداد الأجهزة التي لم تتغير إلى حد كبير خلال أجيال من الرقائق. يتضمن ذلك أجهزة الكمبيوتر التقليدية التي تحل المشكلة وتفرز تسلسل إشارات التحكم، والأسلاك التي تنقل الإشارات إلى المعالج وأجهزة التبريد وما إلى ذلك. تطلق شركة IBM على هذا النوع من الإعدادات بالنظام الكمومي 1.
قال جيل إنه يحتوي على الكثير من الخصائص. أما بالنسبة لجهاز التبريد، المسمى ناظم البرد، الذي قد تكون فيه المساحة محدودة، فإن شركة IBM تجرب بالفعل بناء ناظم برد كبير جدًا. قال جيل: «نظن أننا داخل ناظم برد سنكون قادرين على بناء آلات كبيرة جدًا بمعنى مئات الآلاف، وربما مليون بت كمومي. قد يتطلب ذلك توصيل معالجات متعددة معًا في جهاز كمبيوتر كمومي واحد أكبر بكثير».
لكن في مرحلة ما، قد نرغب في تجاوز نموذج النظام الكمومي 1 وتطوير القدرة على توزيع العمليات الحسابية بين ناظمي البرد، وهذا ليس أمرًا سهلًا. قال جيل إن شركة IBM تتوقع أن تحتاج إلى تحويل ترددات الميكروويف المستخدمة للتحكم في البتات الكمومية إلى الترددات الضوئية المستخدمة لنقل البيانات، ثم عكس العملية عند نقطة التجمد، كل ذلك مع الحفاظ على أي تشابك. قال جيل: «لم يُخترع هذا الجهاز بعد»، مشيرًا إلى عدم وجود فيزياء معروفة تمنعه من العمل.
من الواضح أن كل هذا لا يزال بعيدًا قليلًا، وفي السنوات القليلة المقبلة، سيكون السؤال الكبير هو هل بإمكان IBM البقاء على خريطة الطريق الخاصة بها؟
وهل تتمكن إحدى التقنيات المنافسة من زيادة أعداد البتات الكمومية؟ وقد ثبت أن الأجهزة الأيونية لها إمكانية اتصال عالية ومعدلات خطأ منخفضة جدًا، وهما مجالان لا تكون فيهما أجهزة IBM بنفس القوة. لكننا لم نرَ بعده إن كان بإمكانهم التوسع بسرعة كافية للبقاء في المنافسة مع توقعات IBM للنمو السريع في عدد البتات الكمومية.
المصدر:ibelieveinsci