لم يعد إثبات أن الحاسوب الكمومي أسرع من الحاسوب التقليدي كافياً لإعلان تحقيق «الميزة الكمومية»، إذ يبقى السؤال الأكثر صعوبة: كيف يمكن الوثوق في نتيجة لا يستطيع أقوى حاسوب فائق إعادة إنتاجها أو التحقق منها مباشرة؟
هذا السؤال شكّل محور ثلاث تجارب أعلنتها «آي بي إم» بالتعاون مع جامعة شيكاغو وشركتي «ألغوريثميك» و«كيدما»، وتركز جميعها على الجمع بين عنصرين وتنفيذ عمليات تتجاوز قدرات أبرز أساليب المحاكاة التقليدية، وبناء آليات مستقلة لاختبار موثوقية النتائج الكمومية.
وفي لقاء خاص عبر الإنترنت، قال جاي غامبيتا، مدير أبحاث «آي بي إم» إن مفهوم الميزة الكمومية يجب ألا يقتصر على تحقيق فارق في السرعة أو الكلفة أو الدقة، بل يتطلب أيضاً أن تكون صحة المخرجات قابلة للتحقق بطريقة صارمة. وشرح أن التجارب الثلاث «تنقل الميزة الكمومية إلى ما بعد استعراض القدرة الحسابية، نحو مشكلات في العلوم والأعمال والتقنية يمكن التعامل معها بثقة أكبر».
وتختلف التجارب في طبيعة المشكلة وطريقة بناء الثقة. فقد استخدم فريق جامعة شيكاغو تصحيح الأخطاء داخل دوائر منطقية معقدة، بينما اعتمدت «ألغوريثميك» على تكرار النتائج عبر معالجات وظروف ضوضاء مختلفة، فيما استخدمت «كيدما» تقنيات متقدمة لتخفيف الأخطاء ومقارنة النتائج بمنهجيات تقليدية متعددة ومنصات كمومية أخرى.
معادلة من عنصرين
يعرّف الباحثون الميزة الكمومية بأنها النقطة التي يثبت عندها أن الحوسبة الكمومية أسرع أو أدق أو أقل كلفة من جميع الطرق التقليدية المتاحة لمشكلة محددة، بشرط إمكان التحقق من النتيجة بصورة منهجية.
ويفصل هذا التعريف بين «التفوق الحسابي» و«الثقة الحسابية». فقد تستطيع دائرة كمومية توليد ناتج يصعب على الحواسيب التقليدية حسابه، لكن صعوبة إعادة الحساب تعني أيضاً أن المقارنة المباشرة لم تعد متاحة. وإذا كانت النتيجة لا يمكن التحقق منها إلا عبر افتراضات غير مختبرة بشأن الضوضاء أو أداء الجهاز، فإن الادعاء بالتفوق يبقى ناقصاً.
وأردف غامبيتا: «هناك جانبان للميزة الكمومية؛ يجب أن نبرهن على تفوق في الكفاءة أو الوقت أو الكلفة أو الدقة، ثم نحتاج إلى طريقة للتحقق من صحة الناتج». وفسّر أن التجارب الجديدة تحاول بناء الثقة داخل العملية نفسها، بدلاً من الاكتفاء بمقارنة نتائج صغيرة قابلة للمحاكاة ثم افتراض استمرار الدقة عند التوسع.
70 كيوبتاً منطقياً
جاءت التجربة الأولى بالتعاون بين «آي بي إم» وجامعة شيكاغو، واستهدفت تنفيذ دائرة كمومية شديدة التعقيد مع توفير حد إحصائي يمكن من خلاله تقدير مدى دقة التنفيذ.
استخدم الفريق 97 كيوبتاً فيزيائياً لتشفير دائرة تضم 70 كيوبتاً منطقياً بعمق 70 طبقة، وأضاف إليها 468 بوابة من نوع «T»، وهي بوابات تزيد صعوبة محاكاة الدائرة تقليدياً. كما شغّل الباحثون 2415 عملية منطقية ثنائية الكيوبت، في واحدة من أكبر تجارب الدوائر المنطقية المعلنة حتى الآن.
أنتجت التجربة نحو ألفي عينة خلال قرابة 16 دقيقة، بينما قدّرت الدراسة أن محاكاة المسألة باستخدام أبرز خوارزميات الشبكات الموترية أو المحاكاة القريبة من دوائر «كليفورد» ستحتاج إلى وقت غير عملي. وتوضح التجارب أن الحاسوب الكمومي أنهى المهمة في أقل من 15 دقيقة تقريباً، مع اختلاف طفيف في طريقة احتساب وقت التشغيل بين العرض والورقة الفنية.
كما اعتمد الباحثون على «رموز الزمكان»، وهي طريقة تستخدم كيوبتات مساعدة لاكتشاف الأخطاء أثناء تنفيذ الدائرة. وبدلاً من تصحيح كل خطأ مباشرة، تُفحص تماثلات محددة داخل الحساب، ثم تُرفض النتائج التي تظهر فيها علامات خطأ.
أدى ذلك إلى خفض معدل الخطأ المنطقي الفعلي إلى نحو عُشر معدل الخطأ الفيزيائي، أي تحسين يقارب عشرة أضعاف. وخلص الفريق إلى حد أدنى للدقة بلغ 0.284 بدرجة ثقة إحصائية قدرها 95 في المائة. ولا يعني الرقم أن النتيجة كانت صحيحة بنسبة 28.4 في المائة بالمعنى المبسط، بل إنه حد أدنى محسوب لمدى تطابق الحالة المنفذة مع الحالة الكمومية المستهدفة ضمن النموذج المستخدم.
وقال غامبيتا إن أهمية التجربة تكمن في أنها لم تنفذ حساباً خارج النطاق العملي للحواسيب التقليدية فحسب، بل حددت «بثقة إحصائية حداً أدنى لمدى أمانة تنفيذه»، معتبراً ذلك أساساً جديداً للوثوق بالحسابات عند انتقالها إلى مسائل لا يمكن التحقق منها تقليدياً.
صعوبة التحقق
استخدمت تجارب سابقة ما يعرف بأخذ عينات الدوائر العشوائية، حيث يولد الحاسوب الكمومي أنماطاً يصعب على المحاكيات التقليدية إعادة إنتاجها. لكن المشكلة أن قياس دقة الناتج يصبح بدوره غير ممكن عند الوصول إلى أحجام كبيرة.
وتعتمد بعض الاختبارات على مؤشرات بديلة للدقة، مثل قياس الارتباط بين المخرجات والنتائج النظرية في أحجام أصغر، ثم استقراء الأداء في الدوائر الأكبر. ووصف العرض هذا المسار بأنه قد يتحول إلى «بديل عن بديل للدقة»، لأن المؤشر الأصلي نفسه يصبح غير قابل للحساب عند التوسع.
أما النهج الجديد، فيبني شهادة الدقة داخل الدائرة باستخدام بنية قابلة لاكتشاف الأخطاء. ويبدأ بحالة من دوائر «كليفورد» يمكن التحقق منها بكفاءة، ثم تُضاف بوابات «T» التي تجعل الحساب صعباً تقليدياً، مع الحفاظ على خصائص الكشف عن الأخطاء.
وأوضح غامبيتا أن المحاكاة التقليدية بدأت تصبح غير عملية بعد إضافة أكثر من نحو 200 بوابة «T»، بينما وصلت التجربة إلى 468 بوابة. وأضاف أن الفريق تحقق من النتائج في النطاقات التي لا تزال المحاكاة ممكنة فيها، ثم استخدم بيانات متلازمات الأخطاء لتوسيع تقدير الدقة إلى الدائرة الكاملة.
مادة غير منتظمة
ركزت التجربة الثانية، بين «آي بي إم» و«ألغوريثميك»، على محاكاة مادة كمومية غير متجانسة، وهي نموذج أقرب إلى المواد الواقعية التي تحتوي على اضطرابات وحدود وخصائص محلية مختلفة، وليس إلى البلورات المثالية المستخدمة في كثير من النماذج التعليمية.
ترتبط هذه النماذج بمواد مثل المحفزات وإلكتروليتات البطاريات، حيث تؤثر البنية غير المنتظمة في انتقال المعلومات والطاقة والجسيمات. وصممت «ألغوريثميك» نموذجاً يمكن تعديل خصائصه، ثم شُغّل على معالج «هيرون» الكمومي من «آي بي إم» لدراسة كيفية انتشار المعلومات أو تمركزها أو تداخلها في مناطق مختلفة.
وقالت سابرينا مانيسكالكو، الرئيسة التنفيذية والمؤسسة المشاركة في «ألغوريثميك»، إن المواد التي تشغل الصناعات والطاقة النظيفة «فوضوية وغير منتظمة»، وإن هذه الفوضى هي ما يجعلها مهمة وصعبة المحاكاة في الوقت نفسه.
وأضافت أن الفريق حوّل المعالج الكمومي إلى مادة قابلة للضبط وإعادة التهيئة، ثم استعان بمجموعات متخصصة في المحاكاة التقليدية من مؤسسات عدة لمحاولة كسر الادعاء الكمومي، وليس تأييده.
وصرحت بأن «الطرق التقليدية لم تفشل فقط في مطابقة النتيجة الكمومية، بل لم تتفق حتى فيما بينها»، شارحة أن الباحثين دفعوا خوارزميات الشبكات الموترية وطرق «مونت كارلو» وغيرها إلى حدود الذاكرة ووقت التنفيذ المتاحين.
ولقد بقيت نتيجة التجربة دون تحدٍ تقليدي حاسم طوال ثمانية أشهر منذ نشرها أول مرة على منصة تتبع الميزة الكمومية. إلا أن ذلك لا يعني استحالة ظهور خوارزمية تقليدية أفضل مستقبلاً، بل إن الادعاء يصف الوضع مقارنة بأبرز الأساليب المعروفة والمختبرة حتى وقت الإعلان.
الثقة بلا مرجع تقليدي
عندما اختلفت المحاكيات التقليدية، لم يعد من الممكن اعتبار أي منها مرجعاً نهائياً للحكم على النتيجة الكمومية. لذلك كرر فريق «آي بي إم» التجربة على أكثر من معالج، وفي ظل مستويات مختلفة من الضوضاء والمعايرة، وحقن ضوضاء إضافية بصورة متعمدة لاختبار استقرار النتيجة.
ظلت المخرجات متسقة ضمن حدود الخطأ، وهو ما اعتبره الباحثون دليلاً تراكمياً على أن الإشارة ناتجة من النموذج الفيزيائي نفسه، لا من خطأ خاص بجهاز أو معايرة واحدة.
وأفادت مانيسكالكو بأن «الثقة لا تُفترض، بل تُبنى»، مضيفة أن تكرار النتيجة على أجهزة متعددة وتحت ظروف ضوضاء مختلفة، إلى جانب تعريضها لتحديات تقليدية مفتوحة، وفّر الإطار الذي استند إليه الفريق.
كما أعلنت «ألغوريثميك» إتاحة أداة «monoprop»، التي تمثل أفضل منهج تقليدي لديها لمحاكاة الحالات الأرضية الجزيئية، حتى تستطيع مجموعات بحثية أخرى اختبار ادعاءات الميزة الكمومية، بما فيها ادعاءات الشركة نفسها.
وقارنت مانيسكالكو المرحلة الحالية بلحظة «ألفا غو» في الذكاء الاصطناعي، لكنها أوضحت أن التجربة «نقطة على منحنى وليست خط النهاية»، وأن الانتقال نحو الأثر التجاري يتطلب تكرار النتائج الموثوقة في مجالات المواد والكيمياء وغيرها.
مغناطيس تحت النبضات
تناولت التجربة الثالثة، بين «آي بي إم» و«كيدما»، سلوك نموذج مغناطيسي كمومي يتعرض لنبضات دورية، ويُعرف بنموذج «إيزينغ فلوكيه». والهدف هو فهم ما إذا كانت التذبذبات المغناطيسية التي تظهر في الأنظمة الصغيرة تستمر عندما يزداد الحجم والتعقيد.
وذكر نتانيل ليندنر، المدير التقني والمؤسس المشارك في «كيدما»، إن المحاكاة التقليدية أمكنها دراسة أنظمة تضم 28 و35 جسيماً أو كيوبتاً، لكنها لم تستطع تحديد ما يحدث عند الاقتراب من أحجام أكبر تمثل سلوك المادة بصورة أدق.
وتابع أن المواد الحقيقية تضم أعداداً هائلة من الإلكترونات، ولذلك لا تكفي نتائج الأنظمة الصغيرة وحدها لمعرفة ما إذا كانت التذبذبات ستختفي أم تستمر مع زيادة الحجم.
استخدم الفريق معالجات «هيرون آر 3» من «آي بي إم» وبرنامج «QESEM» الذي طورته «كيدما» لتقليل الأخطاء، وتمكن من قياس ديناميكيات أنظمة وصلت إلى 74 كيوبتاً، مع دقة على مستوى نقاط مئوية. وأظهرت النتائج تذبذبات طويلة الأمد بتردد فرعي، أي أن استجابة النظام تكررت على دورة زمنية أطول من دورة التحفيز الأصلية.
وشملت المقارنات خوارزميات شبكات موترية على وحدات «إنفيديا H100»، ومحاكاة مسارات «باولي» على الحاسوب الفائق «فوغاكو» الياباني، إلى جانب وسائل تقليدية أخرى. ووفق الورقة، فشلت هذه الطرق في التقارب إلى تنبؤات مضبوطة عند الأحجام والأزمنة التي بلغتها التجربة الكمومية.
720 ألف ساعة
تظهر شرائح العرض أن إحدى المقارنات التقليدية استخدمت 720 ألفاً و896 ساعة معالجة مركزية على «فوغاكو»، في حين احتاجت التجربة المقابلة إلى نحو سبع ساعات تشغيل على وحدة معالجة كمومية و250 ساعة معالجة تقليدية مساندة. وتخص هذه المقارنة إعداداً محدداً عند 51 كيوبتاً، ولا تمثل نسبة عامة بين الحواسيب الكمومية والتقليدية في جميع المسائل.
اعتمدت «كيدما» أولاً على طريقة غير متحيزة لتخفيف الأخطاء في النطاق الذي ظلت فيه المقارنة التقليدية ممكنة، ثم استخدمت تلك النتائج لاختبار طريقة أكثر قابلية للتوسع قبل الانتقال إلى أحجام أكبر وأزمنة أطول.
كما أعيد تنفيذ نقاط مختارة على معالجات أيونية محصورة من «كوانتينوم»، وظهرت نتائج متسقة مع مخرجات معالجات «آي بي إم» فائقة التوصيل. وفّر هذا الاختبار عبر بنيتين مختلفتين دليلاً إضافياً على أن التذبذبات ليست أثراً خاصاً بجهاز واحد أو بطريقة محددة لمعالجة الضوضاء.
وتشدد الأبحاث على أن النتيجة لا تمثل برهاناً نظرياً على تفوق كمومي دائم أو غير قابل للكسر، وأن خوارزميات تقليدية أفضل أو طرقاً مصممة خصيصاً للمشكلة قد تتمكن مستقبلاً من إعادة إنتاجها. ولهذا نشر الفريق الدوائر والنتائج عبر منصة «Quantum Advantage Tracker» ودعا المجتمع العلمي إلى تحديها.
أجهزة علمية
تجمع التجارب الثلاث بين مسارين مختلفين لتطوير الحوسبة الكمومية حيث يعتمد المسار الأول على تصحيح الأخطاء داخل دوائر منطقية، كما في تجربة جامعة شيكاغو، بينما يستخدم المساران الآخران معالجات متاحة حالياً مع تقنيات لتوصيف الضوضاء وتخفيف تأثيرها والتحقق من النتائج بطرق متعددة.
ويعني ذلك أن الانتظار حتى ظهور حواسيب كمومية متحملة للأخطاء على نطاق كامل ليس المسار الوحيد لاختبار تطبيقات علمية. ففي مسائل محددة، يمكن للبرمجيات الوسيطة التي تعمل بين العتاد والتطبيق أن توسع حجم الدوائر القابلة للاستخدام وتحسن دقة المخرجات.
ومع ذلك، تظل النتائج مرتبطة بالمشكلات التي اختُبرت وبالمناهج التقليدية المتاحة حالياً، ولا تثبت تفوق الحوسبة الكمومية في جميع الاستخدامات. وتبقى المقارنة مفتوحة مع تطور الخوارزميات التقليدية والعتاد الكمومي معاً.
وقال غامبيتا إن التجارب تشير إلى أن الحواسيب الكمومية وصلت إلى مرحلة تستطيع فيها تقديم نتائج تتجاوز أبرز الطرق التقليدية، مع بناء ثقة فيها عبر اختبارات مستقلة. وأضاف أن الهدف المقبل هو نقل هذه الأساليب من إثباتات تجريبية إلى أدوات لدراسة الفيزياء والمواد وعلوم الحياة وغيرها، مع استمرار نشر المسائل والنتائج كي تخضع للتحدي وإعادة الاختبار.
