جنگ‌های فناوری: رایانه کلاسیک در مقابل رایانه کوانتومی در رویارویی حماسی
پژوهشگران مرکز فیزیک کوانتومی محاسباتی انستیتوی فلتیرون به پیشرفتی قابل توجه در درک توانایی‌های رایانه‌های کوانتومی و کلاسیک دست یافته‌اند.
در ژانویه 2024، پژوهشگران جامعه علمی را با استفاده موفقیت‌آمیز از یک رایانه کلاسیک که بر یک رایانه کوانتومی در وظیفه‌ای که به طور خاص به فناوری کوانتوم نسبت داده می‌شد برتری یافت، شگفت‌زده کردند.
حالا آن‌ها مطالعه‌ای را منتشر کرده‌اند که در آن توضیح می‌دهند چگونه این کار را انجام داده‌اند.
به گفته جوزف تیندال، نویسنده اصلی و پژوهشگر مرکز CCQ، در یک بیانیه مطبوعاتی: «این یافته غیرمنتظره دارد به دانشمندان کمک می‌کند تا خطی که توانایی‌های رایانه‌های کوانتومی و کلاسیک را جدا می‌کند بهتر درک کنند و چارچوبی برای آزمایش شبیه‌سازی‌های جدید کوانتومی فراهم کنند.»
رمزگشایی مسئله کوانتومی
تیم پژوهشی پیچیدگی‌های مسئله کوانتومی که به آن پرداخته‌اند را با جزئیات شرح داده است. این مشکل یک سیستم دو‌بعدی از مغناطیس‌های برگردان را شامل می‌شد، یک سناریوی پیچیده که در نگاه اول به نظر می‌رسید نیاز به قابلیت‌های منحصربه‌فرد یک رایانه کوانتومی داشته باشد.
اما چیزی که آن‌ها کشف کردند یک پدیده جالب به نام «حبس» بود. این رفتار که معمولاً در سیستم‌های یک‌بعدی مشاهده می‌شود، به طور مؤثری رشد در هم‌تنیدگی را محدود می‌کند.
برای درک بهتر، درهم‌تنیدگی کوانتومی یک پیوند عجیب بین ذرات است که آن‌ها را به طور ناگسستنی به هم پیوسته و سرنوشت مشترکی دارند، هر چقدر هم از یکدیگر دور باشند.
همین درهم‌تنیدگی است که اغلب شبیه‌سازی سیستم‌های کوانتومی را برای رایانه‌های کلاسیک دشوار می‌سازد.
طبق گفته بیانیه مطبوعاتی این بیانیه در حالی که محاسبات کلاسیک به عملیات باینری صفر و یک محدود می‌شوند، رایانه‌های کوانتومی می‌توانند از کیوبیت‌ها استفاده کنند که می‌توانند به طور همزمان 0 و 1 را نمایش دهند و اطلاعات را به شیوه‌ای بنیادین متفاوت پردازش کنند.
اثر حبس برای کوانتوم
به طور مشخص، اثر حبس ناشی از محدودیت‌های انرژی در سیستم کوانتومی بسته مورد مطالعه است. این محدودیت انرژی، به نوبه خود، تعداد مغناطیس‌هایی که می‌توانند برگردان شوند را محدود می‌کند که به طور مستقیم رشد در هم‌تنیدگی را محدود می‌کند.
این امر به رایانه کلاسیک اجازه داد تا به طور کارآمد رفتار سیستم را شبیه‌سازی کند و در این فرآیند از رقیب خود پیشی بگیرد.
تیندال اضافه کرد که «همچنان یک مرزی وجود دارد که تعیین می‌کند چه کارهایی می‌توان با رایانش کوانتومی انجام داد و چه کارهایی می‌توان با رایانه‌های کلاسیک انجام داد.»
«در حال حاضر، آن مرز به شدت مبهم است. فکر می‌کنم کار ما به روشن‌تر کردن آن مرز کمک کند.»
پیش‌زمینه پژوهش
در ژوئن 2023، پژوهشگران IBM مقاله‌ای منتشر کردند که مدعی بودند شبیه‌سازی یک سیستم پیچیده با استفاده از یک رایانه کوانتومی انجام داده‌اند. به گفته آن‌ها، حل این مشکل با یک رایانه کلاسیک ممکن نبود.
با این حال، تیندال و همکارانش توانستند همین مشکل را با استفاده از یک رایانه کلاسیک تنها در عرض دو هفته حل کنند.
تیندال تاکید کرد که «ما هیچ تکنیک مرسوم جدیدی را معرفی نکردیم.»
«ما تعداد زیادی ایده را به شکلی مختصر و دلپذیر به هم رساندیم که مسئله را قابل حل کرد. این روشی بود که IBM از دست نداده بود و به آسانی بدون داشتن نرم‌افزارها و کدهای خوب نوشته‌شده قابل پیاده‌سازی نبود.»
چارچوب برای آزمایش
این یافتة غیرمنتظره نه تنها چارچوبی برای آزمایش شبیه‌سازی‌های جدید کوانتومی ارائه می‌دهد بلکه پیشنهاد می‌کند که حبس می‌تواند ویژگی سیستم‌های دو‌بعدی دیگر نیز باشد.
به طور جالب، این موضوع کنجکاوی بزرگی بوده است که چه زمان درهم‌تنیدگی به سرعت رشد می‌کند و چه زمانی نمی‌کند.
تیندال گفت: «این آزمایش به ما درکی خوب از مثالی از جایی که ما درهم‌تنیدگی گسترده‌ای دریافت نمی‌کنیم به دلیل مدل استفاده شده و ساختار دو‌بعدی پردازشگر کوانتوم، می‌دهد.»
