فعل باحثو جوجل بيان جديد حول الميزة الكمومية – قدرة أجهزة الكمبيوتر الكمومية على تسريع العمليات الحسابية بشكل جذري مقارنة بنظيراتها الكلاسيكية، حسبما ذكرت خدمة الأخبار طبيعة.

ويدعي علماء الشركة أن أحدث خوارزميتهم، والتي تسمى “الصدى الكمي”، لديها القدرة على حل المشكلات العلمية، بما في ذلك تحديد بنية الجزيئات. ومن الناحية النظرية، يمكن أيضًا إعادة إنتاجه على كمبيوتر كمي آخر.

يقول هارتموت نيفن، رئيس مختبر الحوسبة الكمومية التابع لشركة جوجل في سانتا باربرا، كاليفورنيا: “تفتح هذه الخوارزمية إمكانيات لتطبيقات في العالم الحقيقي. والشركة متفائلة بأن أجهزة الكمبيوتر الكمومية سوف تجد استخدامًا عمليًا في غضون خمس سنوات”.

ومع ذلك، فإن بعض الباحثين يشعرون بالقلق من ادعاءات الميزة الكمية طبيعة. كثير واعتبر أن الوعود بالتطبيق العملي في مثل هذا الوقت القصير سابقة لأوانها.

“التقدم التكنولوجي مثير للإعجاب، — يقول جيمس ويتفيلد، عالم فيزياء الكم في كلية دارتموث في هانوفر (نيو هامبشاير، الولايات المتحدة الأمريكية). – لكن من الصعب بعض الشيء أن نتخيل كيف سيؤدي هذا فجأة إلى حل بعض المشاكل المفيدة اقتصاديا.

قام باحثو Google وزملاؤهم بتفصيل كيفية تطبيق هذه الخوارزمية على الجزيئات البسيطة في دراسة أولية مقدمة على arXiv. لقد تمكنوا من التنبؤ ببعض سمات بنية الجزيئات باستخدام النمذجة الكمومية وتأكيد النتائج التي توصلوا إليها بقياسات الرنين المغناطيسي النووي (NMR). ومع ذلك، في الوقت الحالي، لا يمكنهم تطبيق هذه الطريقة إلا على الجزيئات التي يمكن بالفعل نمذجتها بشكل فعال باستخدام الطرق الكلاسيكية، مثل التولوين السائل العطري.

وقال توم أوبراين، عالم الأبحاث في Google Quantum AI في ميونيخ بألمانيا، إن استخدام خوارزمية “الصدى الكمي” سيكون أكثر كفاءة من حيث الأجهزة وطرق تصحيح الأخطاء، والتي لا تزال قيد العمل عليها.

كذاب البتات الكمومية

في المظاهرات تم استخدام شريحة Willow من Google، والذي يستخدم 105 دوائر صغيرة فائقة التوصيل لتخزين المعلومات في شكل بتات كمومية (qubits) – المعادل الكمي للبتات الكلاسيكية من المعلومات.

خوارزمية Google قادرة على اكتشاف الاتصالات الكمومية الدقيقة بين الأجزاء البعيدة التي قد تتعطل وتفقد بسبب تفاعل المكونات الكمومية العديدة للجهاز. قارن الفريق الطريقة برسم خريطة الصدى للكهف: فهي تتضمن تنفيذ سلسلة من العمليات، وإزعاج الكيوبت، ثم تنفيذ تلك العمليات بترتيب عكسي. تكشف القياسات عن آثار تفاعلات الكيوبت الفردية في جميع أنحاء النظام.

إحدى المشكلات العلمية المهمة التي يريدون حلها باستخدام الكمبيوتر الكمي هي فهم بنية الجزيئات. يعد ذلك ضروريًا لإنشاء علاقة بين بنية المواد وخصائصها، والتنبؤ بالتفاعلات الكيميائية والظواهر الفيزيائية، وكذلك تطبيق هذه المعرفة عمليًا، على سبيل المثال، في الطب وعلوم المواد. تتيح لنا معرفة البنية التنبؤ بسلوك المواد، وفهم كيفية تفاعلها مع بعضها البعض، وإنشاء مواد وأدوية جديدة عن قصد.

لتطبيق الخوارزمية على الجزيئات، يجبر الباحثون الكيوبتات على محاكاة “دوران” النوى الذرية، وهي خاصية كمومية تجعل كل نواة تعمل كقضيب مغناطيسي صغير. وقال أوبراين إنه من خلال محاكاة الدوران باستخدام الكيوبتات، يمكن لخوارزمية الصدى الكمي أن توفر معلومات حول بنية الجزيئات.

يقول أشوك أدجوي، عالم كيمياء الكم في جامعة كاليفورنيا، بيركلي: “لقد أجريت هذه التجارب حتى الآن على جزيئات صغيرة نسبيًا، لكننا متفائلون بإمكانية توسيع نطاق الأفكار المماثلة في المستقبل لتشمل أنظمة أكبر بكثير – وربما حتى البروتينات”.

حسابات مثيرة للجدل

إن ادعاءات التفوق الكمي محفوفة بالجدل وغالباً ما تكون محل نزاع. تضمن إعلان جوجل الأول في عام 2019 مشكلة ليس لها تطبيق عملي، وسرعان ما أظهر باحثون آخرون أن نفس الحسابات كانت ممكنة على أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية. في مارس شركة الحوسبة الكمومية D-Wave ومقرها كاليفورنيا, أعلن حل المشكلة الأولى ذات الأهمية العلمية باستخدام المعالج الكمي، والذي تم تحديه أيضًا بواسطة الخوارزميات الكلاسيكية.

جوجل تنص على ذلك تعمل خوارزمية “الصدى الكمي” الخاصة بها أسرع بـ 13000 مرة على المعالج الكمي للشركة من أفضل منافس لها كلاسيكيًا. أمضى الفريق عشر سنوات من وقت العمل في اختبار هذه الفجوة، وتحسين النظير الكلاسيكي قدر الإمكان.

يقول الباحثون إن الميزة الكبيرة لتقنية جوجل هي أنه بما أن النتيجة التي ينتجها الكمبيوتر هي رقم محدد، فيمكن التحقق منها على كمبيوتر كمي آخر. غالبًا ما كانت الادعاءات السابقة بالميزة الكمومية تستخدم خوارزميات احتمالية، حيث لم يُفترض أن تتطابق أي نتيجتين.

ومع ذلك، فإن الانتقال من هذا العرض التوضيحي إلى شيء مفيد تجاريًا، أو إلى كمبيوتر قابل للتطوير قادر على إجراء عمليات حسابية كبيرة على الرغم من وجود أخطاء، من شأنه أن يمثل “تحديات كبيرة إضافية”.