برتری رایانۀ کوانتومی بر ابررایانه‌ها در حل مسائل

تیمی از دانشمندان آمریکایی با بهره‌گیری از روشی موسوم به «نمایش کوانتومی» توانسته‌اند در حل نوع خاصی از مسائل بهینه‌سازی، سریع‌تر از پیشرفته‌ترین ابررایانه‌های جهان عمل کنند.

به نقل از سای‌تک‌دیلی، گفتنی است تمایش کوانتومی (Quantum Annealing) نوعی روش رایانش کوانتومی است که برای یافتن پاسخ‌های تقریباً بهینه به‌کار می‌رود. برخلاف روش‌های سنتی که تلاش می‌کنند به پاسخ دقیق و کامل برسند، این شیوه در جست‌وجوی بهترین پاسخ‌های تقریبی در بازه‌ای از زمان کوتاه‌تر است.

وقتی پاسخ تقریبی، بهتر از دقت کامل است

در بسیاری از کاربردهای واقعی، از جمله امور مالی، لجستیک، طراحی شبکه‌ها و حتی هوش مصنوعی، یافتن پاسخ‌هایی که فقط کمی از پاسخ بهینه فاصله دارند، کاملاً کافی و حتی مطلوب است. در چنین شرایطی، صرف وقت بسیار برای دستیابی به پاسخ کاملاً بهینه نه‌تنها سودی ندارد، بلکه موجب هدر رفت منابع محاسباتی نیز می‌شود.

بر این اساس، محققان تصمیم گرفتند به جای تمرکز بر پاسخ‌های بی‌نقص، کارایی رایانهٔ کوانتومی را در یافتن پاسخ‌هایی با دقت حداقل ۹۹ درصد نسبت به مقدار بهینه بسنجند. این تغییر زاویهٔ دید، باعث شد بتوانند برترین الگوریتم‌های کلاسیک را پشت‌سر بگذارند.

دانیل لیدار (استاد مهندسی برق و کامپیوتر، شیمی و فیزیک در دانشگاه USC) اظهار می‌دارد: «نحوهٔ عملکرد تمایش کوانتومی بر پایهٔ یافتن حالت‌های کم‌انرژی در سیستم‌های کوانتومی است؛ حالت‌هایی که با پاسخ‌های بهینه یا تقریباً بهینه در مسائل بهینه‌سازی متناظرند.»

همچنین بخوانید: دوره دکتری هوش مصنوعی به فهرست رشته‌های دانشگاه تربیت مدرس افزوده می‌شود

سخت‌افزار ویژهٔ D-Wave و تصحیح نویز

برای دستیابی به این نتایج چشمگیر، تیم تحقیقاتی از پردازندهٔ کوانتومی «D-Wave Advantage» استفاده کرد. این پردازنده، که در مؤسسهٔ علوم اطلاعاتی USC نصب شده است، برای تمایش کوانتومی طراحی شده و از توان پردازشی هزاران کیوبیت بهره می‌برد. اما یکی از چالش‌های بزرگ در رایانش کوانتومی، مسئلهٔ «نویز» است که می‌تواند بر عملکرد و دقت رایانهٔ کوانتومی اثر منفی بگذارد.

به همین منظور، محققان از روشی به نام «تصحیح تمایش کوانتومی» (Quantum Annealing Correction یا QAC) استفاده کردند تا آثار نویز را کاهش دهند. آن‌ها موفق شدند بیش از ۱۳۰۰ کیوبیت منطقی با خطای پایین ایجاد کنند که این موضوع نقش کلیدی در غلبه بر الگوریتم‌های کلاسیک داشت.

الگوریتم کلاسیکی که برای مقایسه انتخاب شد، «معتدل‌سازی موازی با حرکات خوشه‌ای هم‌انرژی» (PT-ICM) بود؛ الگوریتمی که تاکنون یکی از سریع‌ترین روش‌ها برای حل مسائل مشابه محسوب می‌شد. اما نتایج نشان داد که رایانهٔ کوانتومی D-Wave در بسیاری از موارد، پاسخ‌های بهتر را سریع‌تر ارائه می‌دهد.

آزمایش با مسائل فیزیکی پیچیده

برای آزمودن قدرت واقعی این فناوری، محققان از مجموعه‌ای از مسائل معروف به «شیشه‌های اسپینی دوبعدی با برهم‌کنش‌های دقیق» استفاده کردند. این مسائل، که از مدل‌های فیزیکی مواد مغناطیسی بی‌نظم سرچشمه گرفته‌اند، از جمله دشوارترین مسائل بهینه‌سازی در دنیای ریاضی و فیزیک هستند.

به جای جست‌وجوی پاسخ نهایی، تیم تحقیقاتی عملکرد رایانهٔ کوانتومی را بر اساس معیار «زمان تا اپسیلون» (Time-to-Epsilon) ارزیابی کردند؛ یعنی سنجیدند که هر الگوریتم چقدر زمان نیاز دارد تا به پاسخ‌هایی برسد که فقط یک درصد از مقدار بهینه فاصله دارند.

نتایج، روشن و قابل‌توجه بودند: رایانهٔ کوانتومی با استفاده از کیوبیت‌های تصحیح‌شده توانست در زمان کمتر، به پاسخ‌هایی بسیار نزدیک به مقدار ایده‌آل دست پیدا کند.

آیندهٔ بهینه‌سازی با کمک کوانتوم

موفقیت این پروژه نویدبخش آینده‌ای است که در آن رایانه‌های کوانتومی بتوانند مسائل بزرگ‌مقیاس را با سرعت و کارایی بالا حل کنند؛ آن هم بدون نیاز به رسیدن به پاسخ کاملاً دقیق.

لیدار می‌افزاید: «ما امیدواریم بتوانیم این یافته‌ها را به مسائل چگال‌تر و با ابعاد بالاتر تعمیم دهیم. همچنین انتظار داریم که با بهبود سخت‌افزارها و روش‌های تصحیح نویز، مزیت مشاهده‌شده تقویت شود.»

وی ادامه می‌دهد: «این پژوهش در واقع افق‌های جدیدی را برای طراحی الگوریتم‌های کوانتومی باز می‌کند؛ الگوریتم‌هایی که در حل مسائل دنیای واقعی، راه‌حل‌های تقریباً بهینه و کاربردی ارائه می‌دهند.»

منبع: ایتنا