حق با IBM بود؛ برتری کوانتومی گوگل واقعی نیست

سال ۲۰۱۹، گوگل مدعی شد زودتر از رقیبان به برتری کوانتومی دست یافته و کامپیوتر ۵۳ کیوبیتی‌اش توانسته است محاسباتی را در سه دقیقه انجام دهد که پردازش آن در اَبَررایانه سامیت IBM، سریع‌ترین کامپیوتر جهان در آن زمان، به ۱۰ هزار سال زمان نیاز داشت.

شرکت IBM بلافاصله به این ادعا واکنش نشان داد و گفت ادعای گوگل به دستیابی به برتری کوانتومی واقعی نیست؛ چرا‌که این شرکت از تمام ظرفیت‌های کامپیوترهای کلاسیک استفاده نکرده است و مطمئنا اَبَررایانه سامیت می‌توانید به همین سرعت این پردازش را انجام دهد.

رقابت و جدال گوگل و IBM بر سر اینکه کدام شرکت می‌تواند پیچیده‌ترین پردازش‌های کامپیوتری را در کوتاه‌ترین زمان انجام دهد، ما را با دو ادعا رو‌به‌رو کرده بود که تأیید اعتبار هر‌کدام به زمان و پژوهش نیاز داشت. آیا گوگل در اعلام دستیابی به برتری کوانتومی عجله کرده بود یا IBM از روی حسادت نمی‌خواست موفقیت رقیبش را بپذیرد؟

گویا حالا جواب این سؤال مشخص شده و آن را هم مدیون مطالعه‌ای درباره‌ی عملکرد پردازنده‌ی سیکامور کامپیوتر کوانتومی گوگل هستیم که آن را سه پژوهشگر چینی انجام داده‌اند.

پردازنده‌ی کوانتومی سیکامور

این مطالعه نشان می‌دهد گوگل برتری عملکرد رایانش کوانتومی خود را با روش حل‌مسئله بسیار خاصی در کامپیوترهای استاندارد مقایسه کرده است؛ درحالی‌که برای حل این مسئله روش‌های دیگری نیز وجود دارد که یکی از آن‌ها می‌تواند به اَبَررایانه‌ها امکان دهد حتی از رقیب کوانتومی خود عملکرد سریع‌تری داشته باشند.

محاسبات گوگل طوری طراحی شده بود که شبیه‌سازی آن در یک کامپیوتر معمولی دشوار باشد. گوگل ۵۴ کیوبیت پردازنده‌ی سیکامور را در حالت تصادفی قرار داد و بعد گذاشت تداخل کوانتومی بین کیوبیت‌های مجاور بر نحوه‌ی تکامل سیستم در طول زمان تأثیر بگذارد. این پردازنده شروع به اندازه‌گیری مکرر وضعیت کیوبیت‌ها کرد. هر اندازه‌گیری هم رشته‌ای از بیت‌های تصادفی ایجاد می‌کرد که سیکامور را عملا به مولد اعداد تصادفی لوکس و بسیار گران‌قیمت تبدیل کرده بود؛ اما اگر به‌اندازه‌‌ی کافی این اندازه‌گیری‌ها و تولید رشته‌‌‌بیت‌های تصادفی تکرار شود، در‌نهایت الگوهایی خاصی از دلِ این حالت‌های تصادفی نمایان خواهند شد.

با درک قوانین این تداخل کوانتومی، می‌توان الگوهایی که در ارقام تصادفی تولید‌شده‌ی سیکامور مشاهده شده بود، در کامپیوترهای مبتنی‌بر بیت شبیه‌سازی کرد؛‌ اما انجام این محاسبات به مراحل بسیار‌بسیار زیادی نیاز دارد و با اضافه‌شدن هر کیوبیت به سیستم، تعداد این مراحل بیشتر هم می‌شود.

در‌واقع طبق برآوردهای گوگل، انجام تمام این مراحل در پیشرفته‌ترین اَبَررایانه دنیا که برای پردازش همچنان به بیت وابسته است، دَه‌هزار سال طول خواهد کشید. اگرچه گوگل با طرح این ادعا، ظرفیت بسیار عظیم بزرگ‌ترین اَبَررایانه دنیا در آن زمان را نادیده گرفته بود که می‌توانست با به‌کارگیری تمام این ظرفیت، به‌طرز چشمگیری سریع‌تر از سیکامور عمل کند، این واقعیت همچنان پابرجا است که انجام این محاسبات در سخت‌افزار کامپیوترهای کلاسیک بی‌نهایت دشوار خواهد بود.

در‌ادامه، روش محاسباتی جدید با جزئیات بیشتری توضیح داده شده که اگر از حوصله شما خارج است، می‌توانید از خواندنش چشم‌پوشی کنید.

توضیح دقیق‌تر روش محاسباتی

اگر بخواهیم به آسان‌ترین شکل روش جدید محاسباتی که این تیم تحقیقاتی معرفی کرده، توضیح دهیم، باید به خروجی پردازنده‌ی سیکامور نگاهی بیندازیم. اندازه‌گیری‌هایی که از حالت هر کیوبیت در پردازنده سیکامور انجام شد، رشته‌هایی از صفر‌و‌یک‌های کاملا تصادفی تولید کرد؛ اما با تکرار این اندازه‌گیری‌ها به تعداد کافی، در‌نهایت الگوهای مشخصی در دل این ارقام تصادفی نمایان شد. حالا اگر کامپیوتری کلاسیک را طوری راه‌اندازی کنید که بتواند فیزیک به‌کار‌رفته در سیکامور را به همان شکل شبیه‌سازی کند، دقیقا به همان اندازه رشته‌های تصادفی و الگوهای یکسان خواهید داشت.

در این مطالعه روش محاسباتی دیگری که برای استفاده در کامپیوترهای کلاسیک تعریف شده، کاملا به رفتار پردازنده‌ی سیکامور وفادار نیست؛ اما همان نتایج با الگوها و رشته‌های تصادفی را با سرعتی بیشتر بازتولید می‌کند. افزون‌براین، کامپیوتر کوانتومی چون می‌تواند هر دو حالت صفر‌و‌یک را هم‌زمان اندازه‌گیری کند، این قابلیت را دارد تا تمام احتمالات را هم‌زمان بررسی کند تا به جواب درست برسد.

بااین‌همه، بررسی تمام حالت‌های ممکن برای کامپیوترهای استاندارد عملا غیرممکن است. روشی که در این مطالعه معرفی شده، طوری تعداد راه‌های ممکن برای رسیدن به جواب را محدود می‌کند که رسیدن به جواب، به دَه‌هزار سال نیاز نداشته باشد و در‌عین‌حال، همچنان خروجی برابر با خروجی سیکامور باشد.

روش محاسبه‌ای که گوگل به‌کار برد، برهمکنش‌ بین کیوبیت‌های سیکامور را به شکل شبکه تنسور سه‌بعدی توصیف می‌کند که در آن تنسورها، روابط بین ویژگی‌های کیوبیت‌ها را تعیین می‌کنند. حالا الگوریتم نوشته‌شده‌ی پژوهشگران این فرایند را با قطع برخی از اتصالات شبکه تنسور یا به‌اصطلاح با ایجاد حفره‌های سه‌بعدی در شبکه، ساده‌تر می‌کند.

هر حفره‌ای که برای ساده‌تر‌کردن فرایند در شبکه ایجاد می‌شود، میزان وفاداری به مدل محاسبات اصلی را نصف می‌کند؛ اما همین روش نشان می‌دهد میزان وفاداری کاملا قابل‌تنظیم است؛ بدین‌شکل که با محدود‌کردن تعداد حفره‌های ایجاد‌شده، می‌توان مطمئن بود رفتار پردازنده سیکامور به‌اندازه‌ی کافی در سخت‌افزار کلاسیک شبیه‌سازی شده است. اینکه این حفره‌ها کجای شبکه ایجاد شود، براساس ریاضیاتی بود که خود ساختار فیزیکی تراشه‌ی سیکامور تعیین می‌کرد.

مدل‌سازی آنچه از به‌اصطلاح جمع‌وجورتر‌کردن شبکه‌ی تنسور سیکامور به‌دست آمد، به‌طرز درخورتوجهی آسان‌تر شده بود. اگرچه پژوهشگران مجبور بودند آن را برای ذخیره‌کردن در سیستمی که روی آن کار می‌کردند، به تسک‌های فرعی تقسیم کنند. بعد با الگوریتمی که نوشته بودند، طرز رفتار این شبکه‌های کیوبیتی کوچک‌تر را مدل‌سازی کردند و نشان دادند نتایج به‌دست‌آمده از این شبکه دقیقا با آن میزان وفاداری‌ مدنظرشان هم‌خوانی دارد.

ادامه‌ی بحث
هرطور که بخواهید به قضیه نگاه کنید، محاسبات به روشی که این پژوهشگران انجام دادند، از رایانش کوانتومی گوگل بسیار آسان‌تر است. در‌واقع، این تیم چینی نشان داد با الگوریتم آن‌ها می‌توان مسئله‌ی گوگل را به‌کمک یک خوشه ۵۱۲ تایی از پردازنده‌ی گرافیکی انویدیا تسلا V100 تنها در ۱۵ ساعت حل کرد. حالا اگر همین روش را در اَبَررایانه به‌کار برید، زمان رسیدن به جواب حتی از پردازنده‌ی کوانتومی سیکامور هم کوتاه‌تر خواهد بود! به‌عبارت‌دیگر، گوگل در اعلام دستیابی به برتری کوانتومی بسیار عجول بوده است.

این اقدام گوگل شاید شما را ناخودآگاه به یاد مارک‌ زاکربرگ بیندازد که در تلاش برای جلو‌زدن از رقیبان برای تصاحب متاورس، نام شرکت فیسبوک را به متا تغییر داد. دراین‌بین، نکته‌ای که باید در نظر گرفت، آن است که این مطالعه پیش از معرفی پردازنده‌ی کوانتومی IBM با نام «عقاب» (Eagle) انجام شده که ۱۲۷ کیوبیت دارد؛ یعنی ۷۳ کیوبیت بیشتر از سیکامور. به‌گفته‌ی IBM، کامپیوترهای معمولی برای اینکه بتوانند به‌طور موفقیت‌آمیز قدرت پردازنده‌ای ۱۲۷ کیوبیتی را شبیه‌سازی کنند، لازم است تعداد بیت‌های پردازنده‌شان بیشتر از تعداد اتم‌های موجود در بدن هر انسان در جهان باشد.

بی‌‌شک مدل‌سازی این پردازنده در کامپیوترهای کلاسیک در‌مقایسه‌با سیکامور به‌طرز چشمگیری دشوارتر خواهد بود و احتمالا اگر همین محاسبات روی Eagle انجام شود، سرعت پردازش از این هم بیشتر خواهد شد.

IBM از اساس با ایده‌ی برتری کوانتومی مخالف است

با‌این‌حال، بعید است خود IBM بخواهد این محاسبات را انجام دهد؛ حتی اگر با این کار بتواند قدرتش را به رخ گوگل بکشد. داریو گیل، معاون ارشد و مدیر تحقیقات IBM، از اساس با ایده‌ی برتری کوانتومی مخالف است و در‌عوض، تمرکزش را بر آنچه «مزیت کوانتومی» نامیده، معطوف کرده است؛ یعنی از قدرت رایانش کوانتومی برای حل مسائلی استفاده شود که برای شرکت‌ها مفید باشد، نه اینکه فقط نوعی عرض‌اندام بین رقبا باشد.


خود گوگل معتقد است تا تولید کامپیوتر کوانتومی واقعا مفید که بتوان از آن برای حل بزرگ‌ترین معضلات جهان مثل تغییرات اقلیمی یا تولید داروهای بهتر استفاده کرد، راه درازی در پیش دارد و برنامه‌هایش برای عرضه‌ی اولین «کامپیوتر کوانتومی مفید و بدون خطا»، تا سال ۲۰۲۹ محقق خواهد شد.

کامپیوتری که گوگل در فکر ساختش است، یک‌میلیون کیوبیت دارد؛ درحالی‌‌که قدرتمندترین سخت‌افزار کوانتومی فعلی، یعنی پردازنده‌ی Eagle، به‌زحمت به کمی بیشتر از صد کیوبیت مجهز است. حالا باید منتظر ماند و دید آینده‌ی رایانش کوانتومی به دستان چه کسانی شکل خواهد گرفت و کدام غول دنیای تکنولوژی رؤیای اولین «کامپیوتر کوانتومی مفید» را تحقق خواهد بخشید.