أصدر فريق بحثي صيني رسميًا نتائج تفيد بأن معالجهم الكمومي، Zuchongzhi 3.0، يتفوق على جهود الحوسبة الكمومية التي تبذلها جوجل باستخدام Sycamore بمقدار مليون مرة. تم نشر الدراسة في مجلة Physical Review Letters وتم تفصيلها سابقًا على منصة arXiv، مما يعزز النفوذ المتزايد للصين في السباق نحو التفوق الكمومي، وهو إنجاز يتمثل في تفوق الحواسيب الكمومية على الحواسيب التقليدية في مهام محددة.
نتائج الدراسة وأهميتها
أظهر الباحثون أن Zuchongzhi 3.0، وهو معالج كمومي فائق التوصيل مكون من 105 كيوبت، قد أتم مهمة حسابية معقدة في بضع ثوانٍ فقط، وفقًا للدراسة. بالمقارنة، فإن محاكاة نفس المهمة على أقوى حاسوب فائق تقليدي في العالم، "Frontier"، ستستغرق ما يقدر بـ 6.4 مليار سنة. ويمثل هذا الإنجاز قفزة كبيرة في التفوق الكمومي، متجاوزًا ما أعلنت عنه جوجل في عام 2019، عندما أكدت أن Sycamore أكمل مهمة مماثلة خلال 200 ثانية، وهي عملية قدرت جوجل أنها كانت ستستغرق 10,000 سنة على أفضل حاسوب تقليدي.
تشير النتائج إلى تحديد معيار جديد للتفوق الكمومي، حيث تؤكد الدراسة أن العمل يمكن أن يفتح آفاقًا جديدة لدراسة كيفية تحسين الكفاءة في حل المشكلات الواقعية من خلال زيادة عدد الكيوبتات وتعقيد الدوائر الكمومية.
لا يزال التفوق الكمومي معيارًا متطورًا، وغالبًا ما يكون موضع جدل نظرًا لتحسن تقنيات الحوسبة التقليدية. ومع ذلك، فإن نطاق Zuchongzhi 3.0—من خلال تشغيل تجربة عينة دائرية عشوائية مكونة من 32 دورة باستخدام 83 كيوبت—يوسع الفجوة بين الحواسيب الكمومية والتقليدية. ومع ذلك، وفيما يتعلق بتطور المعيار، يرى بعض النقاد أن نهج أخذ العينات العشوائية الدائرية مصمم خصيصًا للمعالجات الكمومية، مما يجعل المقارنة بين هذه الأجهزة والحواسيب التقليدية، التي تعمل على مشكلات عملية، غير عادلة تمامًا.
تشير الدراسة إلى أن مثل هذه التحسينات تقرب الحوسبة الكمومية من التطبيقات العملية في مجالات التحسين، الذكاء الاصطناعي، وعلوم المواد.
الطرق وتصميم التجربة
قام الفريق البحثي في جامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين بتصميم Zuchongzhi 3.0 باستخدام 105 كيوبت من نوع ترانسمون، مما يمثل زيادة كبيرة مقارنة بسابقه Zuchongzhi 2.0. يتميز تخطيط المعالج بترتيب شبكي مستطيل مكون من 15 × 7 كيوبت، مع 182 موصلًا لتعزيز الاتصال بين الكيوبتات. في التجربة، اختار الباحثون 83 كيوبت، وقاموا بتحسينها لتقليل معدلات الخطأ وزيادة الاستقرار.
لتقييم الأداء، أجرى الفريق تجربة أخذ عينات من الدوائر العشوائية واسعة النطاق، والتي تتضمن تنفيذ تسلسل عشوائي من العمليات الكمومية، ثم قياس المخرجات. تواجه الحواسيب الفائقة التقليدية صعوبة في محاكاة هذه العملية بسبب التعقيد الأسي للحالات الكمومية.
في التجارب السابقة، حققت جوجل رقماً قياسياً في أخذ عينات الدوائر العشوائية باستخدام نظام مكون من 67 كيوبت يعمل بـ 32 دورة. في المقابل، زاد الفريق الصيني من تعقيد التجربة، حيث قاموا بتشغيلها بعمق 32 دورة باستخدام 83 كيوبت. ووفقًا للتقديرات، فإن التكلفة الحسابية التقليدية لمحاكاة هذا النظام تفوق تجربة جوجل بمقدار ستة أضعاف.
لتقييم الأداء، أجرى الفريق تجربة أخذ عينات من الدوائر العشوائية واسعة النطاق، والتي تتضمن تنفيذ تسلسل عشوائي من العمليات الكمومية، ثم قياس المخرجات. تواجه الحواسيب الفائقة التقليدية صعوبة في محاكاة هذه العملية بسبب التعقيد الأسي للحالات الكمومية.
في التجارب السابقة، حققت جوجل رقماً قياسياً في أخذ عينات الدوائر العشوائية باستخدام نظام مكون من 67 كيوبت يعمل بـ 32 دورة. في المقابل، زاد الفريق الصيني من تعقيد التجربة، حيث قاموا بتشغيلها بعمق 32 دورة باستخدام 83 كيوبت. ووفقًا للتقديرات، فإن التكلفة الحسابية التقليدية لمحاكاة هذا النظام تفوق تجربة جوجل بمقدار ستة أضعاف.
التطورات التقنية
يعتمد الأداء المتقدم لـ Zuchongzhi 3.0 على تحسينات هندسية متعددة. قام الفريق بتطوير تصميم الكيوبتات عبر تحسين سعة المكثفات ومعلمات تقاطع جوزيفسون لتقليل الضوضاء الكهربائية. كما تضمنت التحسينات في تقنيات التصنيع استخدام التصوير الضوئي لتعريف مكونات الكيوبت باستخدام التنتالوم والألمنيوم، بالإضافة إلى عملية الربط عبر شريحة الفليب-تشيب باستخدام الإنديوم، مما قلل من التلوث وزاد من أوقات التماسك الكمومي.
أدت هذه التحسينات إلى زيادة استقرار الكيوبتات بشكل ملحوظ. فقد بلغ زمن الاسترخاء (T1) 72 ميكروثانية، بينما تحسن زمن نزع التداخل (T2) إلى 58 ميكروثانية. كما تم قياس دقة بوابات الكيوبت الواحد عند 99.90%، في حين وصلت دقة بوابات الكيوبتين إلى 99.62%، متجاوزة بذلك قدرات المعالجات الكمومية الفائقة السابقة.
أدت هذه التحسينات إلى زيادة استقرار الكيوبتات بشكل ملحوظ. فقد بلغ زمن الاسترخاء (T1) 72 ميكروثانية، بينما تحسن زمن نزع التداخل (T2) إلى 58 ميكروثانية. كما تم قياس دقة بوابات الكيوبت الواحد عند 99.90%، في حين وصلت دقة بوابات الكيوبتين إلى 99.62%، متجاوزة بذلك قدرات المعالجات الكمومية الفائقة السابقة.
القيود والتحديات
رغم الأداء المحسن، تعترف الدراسة بوجود تحديات مستمرة في توسيع نطاق الحوسبة الكمومية. لا تزال أخطاء العمليات متعددة الكيوبتات تشكل عقبة، خصوصًا مع زيادة تعقيد الدوائر الكمومية. وكما تم ذكره سابقًا، يشير الباحثون إلى أن أخذ عينات الدوائر العشوائية يُستخدم كمعيار لقياس التفوق الحسابي، لكنه لا يترجم مباشرة إلى حل المشكلات الواقعية.
تستمر الخوارزميات التقليدية للحوسبة الفائقة في التطور، مما قد يقلص فجوة التفوق الكمومي. كما أن التقدم في خوارزميات الشبكات المصفوفية وتقنيات الحوسبة التقليدية الأخرى قد يشكل تحديًا لاستدامة أي تفوق كمومي معلن.
تستمر الخوارزميات التقليدية للحوسبة الفائقة في التطور، مما قد يقلص فجوة التفوق الكمومي. كما أن التقدم في خوارزميات الشبكات المصفوفية وتقنيات الحوسبة التقليدية الأخرى قد يشكل تحديًا لاستدامة أي تفوق كمومي معلن.
زيادة عدد الكيوبتات وتحسين الدقة
تشير الدراسة إلى أن زيادة عدد الكيوبتات وتحسين دقة الدوائر الكمومية سيكونان عاملين حاسمين في تطوير التطبيقات العملية للحوسبة الكمومية. ويسلط الباحثون الضوء على أن حل مشكلات التحسين، التعلم الآلي، واكتشاف الأدوية من بين المجالات التي قد تستفيد قريبًا من هذه التطورات.
يشير التقدم السريع في الأجهزة الكمومية إلى أن المرحلة التالية ستركز على تصحيح الأخطاء والقدرة على تحمل الأعطال، وهما متطلبان أساسيان للحوسبة الكمومية العملية على نطاق واسع. تعمل شركات ومؤسسات بحثية في جميع أنحاء العالم، بما في ذلك جوجل وIBM ومجموعات بحثية صينية مختلفة، على تسريع الجهود في هذه المجالات.
يشير التقدم السريع في الأجهزة الكمومية إلى أن المرحلة التالية ستركز على تصحيح الأخطاء والقدرة على تحمل الأعطال، وهما متطلبان أساسيان للحوسبة الكمومية العملية على نطاق واسع. تعمل شركات ومؤسسات بحثية في جميع أنحاء العالم، بما في ذلك جوجل وIBM ومجموعات بحثية صينية مختلفة، على تسريع الجهود في هذه المجالات.
المؤسسات البحثية
تم تنفيذ البحث بمساهمات من عدة مؤسسات، بما في ذلك المركز الوطني للبحوث الفيزيائية الدقيقة في خفي، ومدرسة العلوم الفيزيائية بجامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين، ومركز شنغهاي لعلوم الكم، ومركز الأكاديمية الصينية للعلوم للتميز في المعلومات الكمومية والفيزياء الكمومية، والمختبر الوطني في خفي، وشركة QuantumCTek المحدودة، ومختبر خنان الرئيسي للمعلومات الكمومية والتشفير، والمعهد الوطني للمترولوجيا في بكين، ومعهد جينان لتكنولوجيا الكم وفرعه في مختبر خفي الوطني في جينان، ومدرسة الإلكترونيات الدقيقة في جامعة شيديان، ومختبر الأكاديمية الصينية للعلوم للفيزياء النظرية في معهد الفيزياء النظرية.