دانشمندان IBM با انجام ۳ آزمایش مدعی دستیابی به برتری کوانتومی شدند

دانشمندان شرکت IBM و مؤسسات همکار آنها اعلام کرده‌اند که در سه آزمایش مختلف به «برتری کوانتومی» دست یافته‌اند. این آزمایش‌ها توانمندی‌هایی از پردازش کوانتومی را به نمایش می‌گذارند که حتی سریع‌ترین ابررایانه‌های کلاسیک نیز قادر به رقابت با آنها نیستند.

این دستاورد یک گام بسیار مهم در حوزه محاسبات کوانتومی محسوب می‌شود؛ زیرا نشان می‌دهد که این ماشین‌ها می‌توانند وظایف کاربردی و پیچیده‌ای مانند محاسبه واکنش‌های شیمیایی را ظرف چند دقیقه انجام دهند. این درحالی است که انجام همین محاسبات برای یک ابررایانه کلاسیک، سال‌ها زمان خواهد برد. نمایندگان IBM در بیانیه‌ای اشاره کرده‌اند که این آزمایش‌ها ثابت می‌کنند کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند راه‌حل‌هایی قابل‌اعتماد را به شکلی کارآمدتر، ارزان‌تر و دقیق‌تر از روش‌های کلاسیک ارائه دهند.

در یک کنفرانس خبری، نمایندگان شرکت‌های آی‌بی‌ام، Algorithmiq ،Qedma و دانشگاه شیکاگو سه آزمایش را تشریح کردند. در هر سه آزمایش از سیستم کوانتومی ابررسانای IBM با نام Quantum Heron R3 به همراه روش‌های نوآورانه کاهش خطا استفاده شده است. تمرکز اصلی این پژوهش‌ها بر نمایش و سنجش صحت برتری کوانتومی بوده است.

برتری کوانتومی در آزمایش‌های IBM

مطالعه اول که با همکاری Qedma انجام شده، سیستمی موسوم به «مدل آیزینگ میدان عرضی فلوکه» را بررسی کرده که فیزیک‌دانان برای بررسی تغییرات ویژگی‌های مغناطیسی مواد تحت تأثیر پالس‌های خارجی از آن استفاده می‌کنند. حل این مسئله برای کامپیوترهای کلاسیک بسیار دشوار است؛ چراکه با بزرگ‌تر شدن ابعاد مسئله، ریاضیات آن به صورت نمایی پیچیده‌تر می‌شود. با‌این‌حال، کامپیوترهای کوانتومی به دلیل ویژگی‌های مکانیک کوانتومی و بهره‌گیری از بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت‌ها می‌توانند محاسبات عمیق‌تری انجام دهند.

هنگامی که پژوهشگران از ابررایانه کلاسیک Fugaku در ژاپن برای اجرای این مدل استفاده می‌کنند، تا حد مشخصی به درست بودن نتایج اطمینان دارند. در مقابل، کامپیوترهای کوانتومی به شدت مستعد خطا و حساس به نویزهای محیطی (مانند میدان مغناطیسی زمین) هستند. یکی از چالش‌های اصلی، یافتن راه‌هایی برای کاهش این خطاها بوده است. پژوهشگران سیستم کوانتومی را تا جایی با ابررایانه مقایسه کردند که سیستم کلاسیک به حد نهایی توان محاسباتی خود رسید، اما کامپیوتر کوانتومی همچنان توان ادامه مسیر را داشت.

برای کسب اطمینان از درست بودن نتایج کوانتومی، دانشمندان از نرم‌افزار کاهش خطای کوانتومی QESEM استفاده کردند و پس از مطابقت اولیه با نتایج ابررایانه، پیچیدگی مسئله را تا جایی افزایش دادند که ابررایانه از محاسبه بازماند. سپس آزمایش را روی چند کامپیوتر کوانتومی مختلف مانند «IBM Boston» و «IBM Pittsburgh» و دو سیستم از شرکت Quantinuum اجرا کردند. با وجود تزریق عمدی میزان متفاوتی از نویزهای مصنوعی به هر سیستم، نتایج محاسباتی آنها کاملاً یکسان و سازگار بوده است.

آزمایش دوم که توسط IBM و Algorithmiq انجام شده، با مدل آیزینگ میدان عرضی فلوکه روی مسائل دیگری متمرکز بوده و روش متفاوتی برای کاهش خطا در آن به کار رفته است. نتایج این آزمایش نشان می‌دهد با بزرگ‌تر شدن ابعاد مسئله، سیستم‌های کلاسیک نتایج تناقض‌آمیزی تولید کردند، اما سیستم‌های کوانتومی خروجی‌های یکدست و قابل راستی‌آزمایی ارائه دادند.

درآزمایش سوم که با همکاری دانشگاه شیکاگو صورت گرفت، از «دروازه‌های کلیفورد» (Clifford gates) که شبیه‌سازی آنها برای سیستم‌های کلاسیک آسان است استفاده شد. سپس با افزودن «دروازه‌های T» مسئله به‌تدریج دشوارتر شد. ساختار این آزمایش به گونه‌ای بوده که صحت محاسبات کوانتومی حتی در پیچیدگی‌هایی که کامپیوترهای کلاسیک از حل آن عاجز بودند، به صورت بنیادی تضمین می‌شد.

اگرچه هر سه آزمایش برتری واضح کوانتومی را نشان می‌دهند، اما پایداری این ادعا به زمان نیاز دارد. در سال‌های اخیر گزارش‌های متعددی از «برتری کوانتومی» منتشر شده که بعدها توسط الگوریتم‌های جدید کلاسیک به چالش کشیده شده‌اند. IBM و شرکای آن انتظار دارند دانشمندان علوم کامپیوتر کلاسیک برای رد ادعای آنها تلاش کنند، اما تأکید دارند که این رفت‌وبرگشت‌های علمی در نهایت به پیشرفت علم کمک خواهد کرد.