گروهی از متخصصان محاسبات-کوانتومی در ایالات متحده و سوییس مقاله‌ای را در نشریه Science منتشر کردند که در آن از تردید درباره توانایی پردازنده کوانتومی D-Wave Two برای اجرای وظایف خاص محاسباتی سخن به میان آورده‌اند. این مقاله که نسخه اولیه آن پیش‌تر در سال جاری ارائه شد‏‏، چنین نتیجه‌‌گیری کرد که هنگامی که این پردازنده (که توسط سامانه‌های مؤسسه کانادایی و پرحاشیه D-Waveساخته شده) برای حل مسأله ارزیابی محاسبات به کار گرفته شد، هیچ مزیتی بر رایانه‌های معمولی از خود نشان نداده است.

زمان‌های آزمون برای سامانه‌های D-Wave: پردازنده 512-کیوبیتی این شرکت

با وجود آن که پژوهش‌گران می‌گویند که نتایج آن‌ها احتمال آن را ‌که این پردازنده بتواند هنگام حل دسته‌های دیگری از مسائل، عملکردی فراتر از رایانه‌های مرسوم داشته باشد، رد نمی‌کند؛ نتیجه مطالعات گروه امریکایی-سویسی نشان می‌دهد که ارزیابی عمل‌کرد رایانه کوانتومی می‌تواند ترفندآمیزتر از آن چیزی باشد که پیش‌تر تصور می‌شد. D-Wave با اعلام آن‌که برای ارزیابی پردازنده آنان از مسأله ارزیابی اشتباهی استفاده شد‏، به این اشکال پاسخ داد؛ در حالی که گروه آمریکایی-سوییسی قصد دارند با استفاده از الگوهای ارزیابی مختلف آزمایش‌های بیشتری را انجام دهند.

D-Wave Two نسل دوم پردازنده‌های کوانتومی است که توسط شرکت D-Wave به فروش می‌رسد، یکی از این پردازنده‌ها متعلق به ناسا، گوگل و انجمن پژوهش‌های فضایی دانشگاه‌ها است. این شرکت دستگاهی را به Lockheed Martin نیز فروخته است که ادعا می‌شود اولین رایانه کوانتومی تجاری موجود در جهان است. آزمایش‌ها روی D-Wave Two توسط Mattias Troyer و هم‌کارانش در ETH زوریخ‏، دانشگاه کالیفرنیای جنوبی (USC)، دانشگاه سانتا باربارای کالیفرنیا، گوگل و مایکروسافت انجام شده است.

پردازنده D-Wave Two متشکل از 512 بیت کوانتومی (کیوبیت) به طور تخصصی برای اجرای فرایندی طراحی شده است که «بازپخت کوانتومی» نام دارد و روشی برای یافتن تابعی ریاضی با کمترین میزان پیچیدگی در جهان است. برعکس رایانه‌های کوانتومی «مرسوم»، که در سرتاسر محاسبات در حالت کوانتومی شکننده‌ای نگه داشته می‌شود، بازپخت کوانتومی گذاری از حالت کوانتومی به کلاسیک را میسر می‌کند. در نتیجه، روی‌کرد D-Wave ممکن است نسبت به نوفه، که می‌تواند محاسبات کوانتومی مرسوم را مختل کند، ایمن‌تر باشد. درهرحال، پردازنده بازپخت کوانتومی رایانه‌ای همگانی مانند رایانه‌های شخصی نیست و نمی‌توان آن را برای اجرای گستره‌ای از وظایف برنامه‌ریزی کرد.

محاسبات بسیار دشوار

گروه Troyer این پردازنده را با به کارگیری از آن در حل وظیفه‌ای خاص و دشوار از فیزیک ماده چگال شامل «اسپین گلاس آیزینگ»(Ising spin glasses) آزمودند. اسپین گلاس ماده‌ای مغناطیسی است که هر یک از گشتاورهای مغناطیسی آن (یا اسپین‌ها) با یکدیگر برهم کنش می‌کنند و در سرتاسر ماده به صورت تصادفی قرار گرفته‌اند. در عوض، اسپین گلاس دارای ساختار اسپینی به شدت پیچیده‌ای است که محاسبه آن برای تعداد زیاد اسپین‌ها بسیار دشوار می‌شود. Troyer در توضیح به physicsworld.com گفت: «مسأله‌های آیزینگ اسپین-گلاس مسأله‌ای ”داخلی“ است که D-Wave Two برای آن طراحی شده است.

برای ارزیابی عمل‌کرد D-Wave Two این گروه مدت زمانی را که این پردازنده برای حل مسأله آیزینگ اسپین-گلاس صرف کرد‏، اندازه‌گیری و آن را با زمانی که برای پردازش توسط رایانه‌ای معمولی و کلاسیک طول می‌کشد‏، مقایسه کردند. این نسبت که با نام «تسریع کوانتومی» شناخته می‌شود، انتظار می‌رود برای مسائل کوچک نزدیک به یک باشد، به این معنا که اسباب‌های کلاسیک می‌توانند آن کار را به همان خوبی اسباب‌های کوانتومی انجام دهند؛ اما هر چه اندازه مسأله بزرگ‌تر می‌شود، این نسبت افزایش می‌یابد. در این آزمایش، این گروه شبیه‌سازی‌های کوانتومی و کلاسیک بسیاری را در مورد اسپین گلاس‌های مختلف زیادی انجام دادند‏، که در آن‌ها تعداد اسپین‌ها و شدت برهم‌کنش‌ها به صورت نظام‌مندی تغییر می‌کرد.

هیچ تسریع کوانتومی‌ای مشاهده نشد

درهرحال، نتایج هیچ مصداق آشکاری از تسریع را نشان نداد. در حالی که پردازنده D-Wave Two گاهی اوقات 10 برابر سریع‌تر از رایانه معمولی بود‏، گاهاً هم 100 برابر کندتر بوده است. Troyer و هم‌کارانش چند توضیح برای دلیل مواردی که تسریع دیده نشده، ارائه کردند. یکی از آنان این است که اگرچه D-Wave Two به عنوان پردازنده‌ای کوانتومی کار می‌کند، بازپخت کوانتومی هیچ مزیتی بر روش‌های کلاسیک دیگر ندارد. احتمال دیگر آن است که نوفه یا سایر مشکلات عملکردی به این معنا است که این وسیله به عنوان پردازنده کوانتومی فعالیت نمی‌کند.

چشم‌انداز انگیزشی سوم که توسط Troyer و هم‌کاران ارائه شده، آن است که هنگامی که D-Wave Two برای انواع دیگری از مسائل استفاده شود، هم‌چنان می‌توان این تسریع را دید، حتی اگر در آزمون کنونی چنین موردی مشاهده نشده باشد. در حقیقت، D-Wave خود ادعا می‌کند تحقیقاتی که توسط گروهی به رهبری Helmut Katzgraber در دانشگاه A&M تگزاس انجام شده، نشان می‌دهد مسائل اسپین گلاس آیزینگ نمی‌توانند سریع‌تر از حالتی حل شوند که با استفاده از بازپخت کوانتومی حل شده‌اند. به علاوه‏، Jeremy Hilton نایب رئیس D-Wave در امر توسعه پردازنده‌ها به کارهای بیشتری که اخیراَ توسط Itay Hen از USC و هم‌کارانش انجام شده‏، اشاره می‌کند که (به گفته او) این کارها نشان می‌دهد « عمل‌کرد بهتر پردازنده 512 کیوبیتی D-Wave برای الگوریتم شبیه سازی‌شده‌ بازپخت که توسط Troyer و هم‌کاران طراحی شده‏، توسط روش ارزیابی جدیدی نشان داده شده است».

Troyer بیان داشت Kartzgraber ادعا می‌کند که اسپین گلاس‌های سه بعدی می‌توانند موارد آزمون بهتری باشند، که "ممکن است" برای این منظور مناسب باشند. «روشی را برای اجرای چنین مسائلی یافته‌ایم و در حال آزمایش آن هستیم. پژوهشگران در گوگل و ناسا نیز در حال بررسی آن هستند که آیا دسته‌ای از مسائل هستند که بتوانند تسریع کوانتومی را نشان دهند یا خیر».

Troyer اضافه می‌کند که اهمیت اساسی این پژوهش‌ها در Science منتشر شده که روشی را برای اندازه‌گیری تسریع کوانتومی برای اسباب‌هایی با پتانسیل‌های ناشناخته، نظیر ادوات D-Wave شرح می‌دهد. با وجود فیزیک‌پیشگانی در سرتاسر جهان که بر ساخت پردازنده‌های کوانتومی بزرگ‌تر و پیچیده‌تر تمرکز دارند‏، اهمیت این گونه روش‌های اندازه‌گیری رو به فزونی است.

روش ارزیابی در Science توضیح داده شده است.

نویسنده: Hamish Johnston ویراستار physicsworld.com

منبع: Is D-Wave's quantum computer actually a quantum computer?