محققان مرکز ابررایانه‌ی یولیش (آلمان)، دانشگاه ووهان (چین) و دانشگاه گرونیگن (هلند) اعلام کردند که رکورد جهانی را برای شبیه‌سازی تعداد کیوبیت‌ها روی ابررایانه‌ی کلاسیک، شکسته‌اند. این تیم با قابلیت شبیه‌سازی ۴۶ کیوبیت، رکورد قبلی را که ۴۵ بود، شکست. آن‌ها هم‌چنین قادر به شبیه‌سازی ۳۲ کیوبیت روی لپ‌تاپ با رم ۱۶ گیگابایت هم بودند.

تشدید محدودیت‌های شبیه‌سازی کوانتومی روی ابررایانه‌ها

در پی ادعای توسعه‌دهندگان رایانه‌ی کوانتومی مبنی بر اینکه رایانه‌ی آن‌ها به «برتری کوانتومی» رسیده‌اند، ابتدا باید حد بیشینه‌ی ابررایانه‌های کلاسیک را بدانیم. این محدودیت قبلا ۴۵ کیوبیت بود که می‌توانست روی یک ابررایانه شبیه‌سازی شود؛ اما محققان از ووهان، یولیش و دانشگاه گرونیگن توانستند یک کیوبیت بر آن بیفزایند و با حافظه‌ی بسیار کمتر، این کار را انجام دهند. اگر چه تفاوت بین ۴۵ تا ۴۶ کیوبیت ممکن است به نظر کوچک باشد؛ اما باید به این نکته اشاره کنیم که عملکرد مورد نیاز برای شبیه‌سازی کیوبیت‌ها، به ازای هر کیوبیت اضافه‌شده به‌طور نمایی رشد می‌کند. به‌طور معمول، در شرایط یکسان به ازای هر کیوبیتی که برای شبیه‌سازی اضافه می‌شود، باید حافظه‌ی مورد نیاز دو برابر شود.

آی‌بی‌ام قبلا قادر به شبیه‌سازی ۵۶ کیوبیت در یک نوع باریک‌تر شبیه‌سازی بود که از مدارهای کوانتومی کم‌عمق استفاده می‌کرد؛ درحالی‌که رکورد جدید شبیه‌سازی در مدارهای محاسباتی کوانتومی از هر نوعی به دست آمده است.

پروفسور مایکلسن، رهبر گروه پردازش اطلاعات کوانتومی در مرکز ابررایانه‌ی یولیش آلمان، برای تامز هاردوِر تفاوت این دو را توضیح می‌دهد:

 شبیه‌ساز رایانه‌ی کوانتومی ما می‌تواند هر مدار کوانتومی را با ۴۶ کیوبیت شبیه‌سازی کند. ما با محاسبه‌ی بردار همه‌جانبه، یعنی همه‌ی دامنه‌ی (توان ۲ تا ۴۶) بردار حالت کوانتوم، رایانه‌ی کوانتوم جهانی را شبیه‌سازی کردیم.

آی‌بی‌ام، دامنه‌های حالت کوانتوم را فقط برای خروجی‌های اندازه‌گیری شده محاسبه می‌کند و شواهدی تجربی‌ ارائه می‌دهد که نشان می‌دهند مشکل محاسبه دامنه‌های حالت کوانتومی برای نتایج اندازه‌گیری شده ممکن است به همان سرعتی که مورد انتظار است، نباشد (در عمل بسیاری از دامنه‌ها ممکن است صفر باشند). شواهد تجربی حاصل از شبیه‌سازی دو مدار جهانی کوانتومی تصادفی، از یک مورد با عمق ۲۷ برای ۴۹ کیوبیت و یک مورد با عمق ۲۳ برای ۵۶ کیوبیت، مشتق می‌شوند.

 عمق مدار، تعداد لایه‌هایی است که مدار را می‌توان به صورت زیر تقسیم کرد: دروازه‌هایی که روی کیوبیت‌ها در هر لایه‌ی داده شده بدون هیچ همپوشانی‌ای کار می‌کنند. وی هم‌چنین افزود: محدودیت‌های آی‌بی‌ام در قالب تعداد کیوبیت‌ها یا عمق مدار، هنوز مشخص نیست.

شبیه‌سازی چگونه حاصل می‌شود؟

محققان از هر دو ابررایانه‌ی یولیش (JUQUEEN) و همچنین سریع‌ترین ابررایانه در جهان، Sunway TaihuLight چین استفاده کردند.

 پروفسور مایکلسن خاطرنشان کرد که تنها چند ابررایانه وجود دارند که‌ تاکنون یک شبیه‌سازی با ۴۵ کیوبیت انجام داده‌اند؛ زیرا تعداد کمی از آن‌ها حافظه‌ی مورد نیاز، گره‌های محاسباتی و اتصالات شبکه‌ی به اندازه کافی سریع برای انجام شبیه‌سازی دارند.وی افزود:

نرم‌افزار نیز بسیار مهم است؛ چرا که باید قادر باشد شبیه‌سازی را به‌صورت مؤثر اجرا کند.

 به گفته‌ی مایکلسن، تیمش نرم‌افزاری را توسعه می‌دهد که تقریبا به‌طور کامل روی میلیون‌ها گره‌ی محاسباتی کار می‌کند و هیچ گونه نقصانی در عملکرد ندارد. وی اولین کسی بود که ۴۲ کیوبیت را در سال ۲۰۱۰ روی ابررایانه‌های نسل قبلی یولیش شبیه‌سازی کرد و توانست در سال ۲۰۱۲ با یک شبیه‌سازی ۴۳ کیوبیتی، رکوردش را بهبود بخشد.

 علاوه بر استفاده از یک ابررایانه‌ی قوی‌تر برای شبیه‌سازی ۴۶ کیوبیت، محققان هم‌چنین قادر به استفاده از تنها ۲ بایت اطلاعات برای نشان دادن حالت کیوبیت بودند که از ۱۶ بایتی که قبلا مورد نیاز بود کمتر است. این همان چیزی است که اکنون به ۳۲ کیوبیت اجازه نمی‌دهد در یک لپ‌تاپ با تنها ۱۶ گیگابایت حافظه شبیه‌سازی شوند.

 در مقایسه، Rigetti (یکی از استارت‌آپ‌های محاسبات کوانتومی) در ابتدا قادر به شبیه‌سازی تنها ۳۰ کیوبیت بود؛ اما اکنون می‌تواند ۳۶ کیوبیت را شبیه‌سازی کند. مایکروسافت در ابتدا ۳۰  کیوبیت شبیه‌سازی ارائه داد؛ اما اکنون می‌تواند ۴۰ شبیه‌سازی کیوبیت ارائه کند. آخرین کشف یولیش ممکن است این شرکت‌ها را مجبور کند تعداد کیوبیت‌های شبیه‌سازی‌شده‌شان را حتی بالاتر ببرند.

 محققان یولیش هم‌چنین معتقدند که توانایی شبیه‌سازی تعداد نسبتا زیادی کیوبیت‌ را دارند که در حال حاضر اجرا می‌شوند؛ به این معنی که توسعه‌دهندگان می‌توانند از لحظه‌ای که در کوانتوم به برتری می‌رسند، آن را با الگوریتم‌هایی که روی رایانه‌های کوانتومی کار می‌کنند آزمایش کنند و ثابت کنند که می‌توانند کاربردی‌تر هم باشند.