مکانیک کوانتوم آنیلینگ در برابر کامپیوترهای کوانتومی مدل گیت: این دو معماری واقعاً چگونه کار می‌کنند؟

هنگامی که یک شرکت محاسبات کوانتومی پردازنده‌ای با هزاران کیوبیت فیزیکی را اعلام می‌کند، فرض فوری عمومی این است که این صنعت دهه‌ها زودتر از موعد مقرر جهش کرده است. اما این عدد بزرگ تقریباً همیشه متعلق به یک آنیلر کوانتومی است، نه یک کامپیوتر کوانتومی مدل گیت جهانی. این سردرگمی ناشی از یک شکاف معماری اساسی در نحوه ساخت، برنامه‌ریزی و مقیاس‌بندی سیستم‌های کوانتومی است. اگرچه هر دو الگو از مکانیک کوانتومی برای پردازش اطلاعات استفاده می‌کنند، اما فناوری‌های قابل تعویضی نیستند که در یک مسیر مسابقه می‌دهند. مقایسه تعداد خام کیوبیت فیزیکی یک آنیلر با یک سیستم مدل گیت، شبیه مقایسه مدار آنالوگ تخصصی یک تونل باد با معماری عمومی یک CPU مدرن است. درک وضعیت واقعی محاسبات کوانتومی مستلزم جدا کردن هیاهوی بازاریابی تعداد خام کیوبیت‌ها از واقعیت مکانیکی آنچه هر معماری واقعاً می‌تواند محاسبه کند، است.[1][7]

محاسبات کوانتومی مدل گیت، الگویی است که اکثر مردم هنگام شنیدن اصطلاح «کامپیوتر کوانتومی» تصور می‌کنند. این معادل کوانتومی یک پردازنده دیجیتال کلاسیک است که برای اجرای الگوریتم‌ها از طریق دنباله‌ای از عملیات گسسته معروف به گیت‌های منطقی کوانتومی طراحی شده است. در یک معماری مبتنی بر گیت، کیوبیت‌ها در یک حالت خاص مقداردهی اولیه می‌شوند، از طریق یک دنباله زمانی دقیق از تبدیل‌های یکانی دستکاری می‌شوند و در نهایت اندازه‌گیری می‌شوند تا برهم‌نهی آنها به یک خروجی کلاسیک فرو بریزد. از آنجایی که از یک مجموعه گیت جهانی استفاده می‌کند، یک سیستم مدل گیت مقاوم در برابر خطا می‌تواند، در اصل، هر الگوریتم کوانتومی از جمله الگوریتم شور برای رمزنگاری و الگوریتم گروور برای جستجوی پایگاه داده را اجرا کند. این امر مدل گیت را به طور جهانی قابل برنامه‌ریزی و از نظر تئوری قادر به حل طیف گسترده‌ای از مسائل محاسباتی می‌سازد.[1][4]

فیزیک زیربنایی مدل گیت مستلزم آن است که کیوبیت‌ها حالت ظریف برهم‌نهی و درهم‌تنیدگی را به اندازه کافی طولانی برای تکمیل یک محاسبه حفظ کنند. این مدت زمان به عنوان زمان انسجام (Coherence Time) شناخته می‌شود. چه سیستم از مدارهای ابررسانا که تا نزدیک صفر مطلق سرد شده‌اند، یون‌های به دام افتاده معلق توسط میدان‌های الکترومغناطیسی، یا اتم‌های خنثی که در انبرک‌های نوری نگه داشته شده‌اند، استفاده کند، محیط دائماً حالت کوانتومی را تهدید به فروپاشی می‌کند. یک فوتون سرگردان، یک نوسان جزئی دما، یا حتی پالس‌های کنترلی که برای اجرای خود گیت‌ها استفاده می‌شوند، می‌توانند خطا ایجاد کنند. از آنجایی که مکانیک کوانتومی کپی مستقیم حالت‌های کوانتومی ناشناخته را ممنوع می‌کند – اصلی که به عنوان قضیه عدم شبیه‌سازی (no-cloning theorem) شناخته می‌شود – نمی‌توان از تکنیک‌های تصحیح خطای کلاسیک مانند افزونگی ساده داده‌ها برای محافظت از اطلاعات استفاده کرد.[4][5]

برای دور زدن قضیه عدم شبیه‌سازی، سیستم‌های مدل گیت از تصحیح خطای توپولوژیک، که معمولاً کدهای سطحی (Surface Codes) هستند، استفاده می‌کنند. این کدها اطلاعات یک کیوبیت منطقی واحد را در یک شبکه دو بعدی از کیوبیت‌های فیزیکی پخش می‌کنند. با اندازه‌گیری مداوم توازن کیوبیت‌های «کمکی» مجاور، سیستم می‌تواند خطاهای برگردان بیتی و برگردان فاز را بدون اندازه‌گیری مستقیم – و در نتیجه تخریب – حالت منطقی شکننده، شناسایی و تصحیح کند. با این حال، این نظارت فعال به سربار سرسام‌آوری نیاز دارد. بسته به نرخ خطای فیزیکی سخت‌افزار، بین ۱۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰ کیوبیت فیزیکی برای حفظ تنها یک کیوبیت منطقی مقاوم در برابر خطا لازم است. این گلوگاه عظیم دلیل اصلی است که چرا سیستم‌های مدل گیت جهانی در حال حاضر با تعداد کیوبیت‌های فیزیکی نسبتاً کم کار می‌کنند.[4][5]

مسیرهای نظری برای کاهش این سربار خردکننده وجود دارد، اما آنها عمدتاً در فاز آزمایشی باقی مانده‌اند. آزمایش‌های اخیر با استفاده از کدهای بررسی توازن با چگالی کم کوانتومی (qLDPC) روی سخت‌افزار اتم خنثی قابل تنظیم مجدد، نسبت‌های کدگذاری حافظه را تا ۲:۱ نشان داده‌اند. در این خانواده‌های کد خاص، بیش از نیمی از کیوبیت‌های فیزیکی فعالانه اطلاعات منطقی را حمل می‌کنند، به این معنی که هزینه تصحیح خطا کمتر از محاسباتی است که از آن محافظت می‌کند. با این حال، در حالی که این کدهای با نرخ بالا می‌توانند اطلاعات کوانتومی را با موفقیت در حافظه ذخیره و محافظت کنند، اجرای گیت‌های منطقی جهانی روی آنها بدون از بین بردن حالت کدگذاری شده، همچنان یک چالش آزمایشی حل نشده است. تا زمانی که این موانع پیشرفته تصحیح خطا به طور کامل برطرف نشوند، سیستم‌های مدل گیت همچنان با یک منحنی مقیاس‌بندی شیب‌دار روبرو خواهند بود.[5][6]

این گلوگاه عظیم تصحیح خطا دقیقاً همان چیزی است که آنیلینگ کوانتومی برای دور زدن آن طراحی شده است. به جای اجرای یک دنباله زمانی از گیت‌های منطقی گسسته، یک آنیلر به عنوان یک فرآیند فیزیکی آنالوگ و پیوسته عمل می‌کند. این مکانیسم بر قضیه آدیاباتیک مکانیک کوانتومی تکیه دارد. سیستم در یک حالت پایه ساده و شناخته شده – کمترین پیکربندی انرژی ممکن خود – مقداردهی اولیه می‌شود. سپس یک مسئله محاسباتی خاص به صورت ریاضی در یک چشم‌انداز انرژی پیچیده کدگذاری می‌شود و به سیستم اجازه داده می‌شود تا به آرامی در طول زمان تکامل یابد. اگر تکامل به اندازه کافی تدریجی باشد، سیستم در طول فرآیند در حالت پایه خود باقی می‌ماند و به طور طبیعی در پایین‌ترین دره چشم‌انداز انرژی جدید قرار می‌گیرد. آن حالت نهایی با کمترین انرژی، راه‌حل بهینه برای مسئله کدگذاری شده را نشان می‌دهد.[2][3]

فیزیک آنیلینگ کوانتومی به طور کامل نظارت فعال بر خطا را دور می‌زند. به جای مبارزه با محیط برای حفظ یک حالت بکر از طریق مراحل گسسته، یک آنیلر از تمایل محیط برای جستجوی حالت کمترین انرژی به نفع خود استفاده می‌کند. این سیستم به شدت بر تونل‌زنی کوانتومی تکیه دارد – پدیده‌ای که در آن ذرات کوانتومی مستقیماً از موانع انرژی عبور می‌کنند، به جای اینکه از آنها بالا بروند. در یک الگوریتم بهینه‌سازی کلاسیک، سیستم می‌تواند به راحتی در یک «حداقل محلی» (Local Minimum) گیر کند، دره‌ای که شبیه پایین‌ترین نقطه به نظر می‌رسد اما کف واقعی نیست. تونل‌زنی کوانتومی به کیوبیت‌های آنیلر اجازه می‌دهد تا مستقیماً از این پشته‌های پرانرژی عبور کنند و احتمال یافتن حداقل سراسری واقعی در یک مجموعه داده پیچیده را به شدت افزایش دهند.[2][3]

از آنجایی که آنیلرهای کوانتومی دنباله‌های طولانی از گیت‌های گسسته را اجرا نمی‌کنند، به سربار عظیم کیوبیت فیزیکی به منطقی که سیستم‌های مدل گیت نیاز دارند، احتیاجی ندارند. آنها ذاتاً در برابر انواع خاصی از نویز مقاوم‌تر هستند و به مهندسان اجازه می‌دهند سخت‌افزار را بسیار سریع‌تر مقیاس‌بندی کنند. به همین دلیل است که شرکت‌های متخصص در آنیلینگ کوانتومی می‌توانند امروزه سیستم‌های تجاری با هزاران کیوبیت فیزیکی ارائه دهند، در حالی که توسعه‌دهندگان مدل گیت هنوز در تلاش برای تکمیل سیستم‌هایی با چند صد کیوبیت هستند. فرآیند پیوسته کمینه‌سازی حالت انرژی به آنیلرها اجازه می‌دهد تا از نوسانات کوانتومی برای حل مسائل خاص بسیار کارآمدتر از آنیلینگ شبیه‌سازی شده کلاسیک استفاده کنند، بدون اینکه منتظر بلوغ معماری‌های مقاوم در برابر خطا بمانند.[1][2]

با این حال، این مقیاس‌پذیری سریع با هزینه مطلق جهانی بودن (Universality) همراه است. یک آنیلر کوانتومی یک کامپیوتر با هدف عمومی نیست. نمی‌تواند الگوریتم شور را برای تجزیه اعداد اول بزرگ اجرا کند، نمی‌تواند دینامیک مولکولی پیچیده را با استفاده از تخمین فاز کوانتومی استاندارد شبیه‌سازی کند، و دقیقاً صفر عملیات گیت جهانی را می‌تواند انجام دهد. در عوض، آنیلرها صرفاً برای وظایف بهینه‌سازی و نمونه‌برداری تخصصی شده‌اند، به ویژه آنهایی که می‌توانند به صورت ریاضی به فرمت بهینه‌سازی دوتایی نامحدود درجه دوم (QUBO) یا مدل آیزینگ نگاشت شوند. اگر یک مسئله – مانند مسیریابی ناوگان لجستیک، برنامه‌ریزی یک طبقه کارخانه، یا تا کردن یک پروتئین – بتواند به عنوان یک وظیفه کمینه‌سازی انرژی چارچوب‌بندی شود، یک آنیلر می‌تواند آن را پردازش کند. اگر به دنباله‌ای از عملیات منطقی نیاز داشته باشد، آنیلر کاملاً بی‌فایده است.[1][3]

به دلیل این محدودیت‌های سخت‌گیرانه، مؤثرترین کاربرد کوتاه‌مدت آنیلرهای کوانتومی شامل گردش کارهای ترکیبی کوانتومی-کلاسیک است. در این تنظیمات، یک ابرکامپیوتر کلاسیک یک مسئله لجستیکی یا مالی عظیم را تجزیه می‌کند، گلوگاه ترکیبی خاص را شناسایی می‌کند و تنها آن بخش بهینه‌سازی بسیار پیچیده را به آنیلر کوانتومی واگذار می‌کند. هنگامی که آنیلر راه‌حل کمترین انرژی را پیدا کرد، نتیجه را برای تکمیل محاسبات گسترده‌تر به سیستم کلاسیک باز می‌ گرداند. این رابطه همزیستی به شرکت‌ها اجازه می‌دهد تا امروزه ارزش واقعی را از آنیلینگ کوانتومی استخراج کنند و آن را در خطوط لوله یادگیری ماشین و بهینه‌سازی موجود ادغام کنند، بدون اینکه منتظر جدول زمانی توسعه چند دهه‌ای مورد نیاز برای سیستم‌های جهانی مقاوم در برابر خطا بمانند.[2][7]

این تمایز اساسی اغلب در بازاریابی شرکتی و پوشش فناوری جریان اصلی، که در آن تعداد خام کیوبیت‌های فیزیکی به عنوان یک معیار جهانی برای پیشرفت کوانتومی تبلیغ می‌شود، محو می‌گردد. وقتی یک فروشنده یک پردازنده آنیلینگ جدید با کیوبیت‌های به مراتب بیشتر را اعلام می‌کند، به این معنی نیست که صنعت ناگهان به شکستن رمزنگاری RSA یا دستیابی به تحمل خطای جهانی نزدیک‌تر شده است. این صرفاً به این معنی است که سخت‌افزار تخصصی اکنون می‌تواند مسائل بهینه‌سازی بزرگتر و پیچیده‌تری را کدگذاری کند. تشخیص این تفاوت تعریفی برای شرکت‌ها و محققانی که تلاش می‌کنند در چشم‌انداز کوانتومی حرکت کنند، حیاتی است، زیرا سرمایه‌گذاری در معماری اشتباه، صرف نظر از تعداد کیوبیت‌های زیربنایی، شکست را تضمین می‌کند.[1][7]

در نهایت، این دو معماری رقبایی نیستند که به سمت یک خط پایان مسابقه می‌دهند؛ آنها الگوهای محاسباتی کاملاً واگرایی هستند که برای دوره‌های مختلف کاربرد طراحی شده‌اند. آنیلینگ کوانتومی یک ابزار کوتاه‌مدت و بسیار تخصصی برای مقابله با مسائل بهینه‌سازی ترکیبی پیچیده ارائه می‌دهد که امروزه ابرکامپیوترهای کلاسیک را تحت فشار قرار می‌دهد. در همین حال، سیستم‌های مدل گیت نشان‌دهنده پیگیری بلندمدت و مقاوم در برابر خطا برای محاسبات کوانتومی جهانی هستند. با بلوغ صنعت، هیاهوی پیرامون تعداد خام کیوبیت‌های فیزیکی ناگزیر جای خود را به درک دقیق‌تری از وفاداری منطقی، تصحیح خطا و تخصص معماری خواهد داد و تضمین می‌کند که هر دو مدل دقیقاً در جایی که نقاط قوت مکانیکی آنها قرار دارد، مستقر شوند.[4][7]