الأفضلية الكمومية والتفوق الكمومي والجدوى الكمومية: ماذا تعني هذه الكلمات

تتكرر ثلاث عبارات مرارًا في تغطية الحوسبة الكمومية: التفوق الكمومي والأفضلية الكمومية والجدوى الكمومية. تُعامل أحيانًا كمترادفات، وأحيانًا كسلّم للتقدم. وهي ليست هذا ولا ذاك. فهي تأتي من أوراق ومحاضرات مختلفة، وتجري مقارنات مختلفة، ويمكن استخدامها جميعًا بعناية أو بتهاون.

يشرح هذا الدليل من أين جاءت هذه الكلمات، وما الذي يجب أن يحدده الادعاء المسؤول، وكيف تُقرأ إلى جانب الأفكار الأساسية مثل الكيوبتات وتصحيح الأخطاء. وهو مكمّل لقائمة التحقق الخاصة بنا حول كيفية قراءة إعلان في الحوسبة الكمومية.

التفوق الكمومي

قدّم John Preskill مصطلح «quantum supremacy» (التفوق الكمومي) في محاضرة تلخيصية عام 2012، نُشرت لاحقًا بعنوان «Quantum computing and the entanglement frontier». واستخدمه للإشارة إلى اللحظة المرتقبة التي يتمكن فيها نظام كمومي محكم التحكم من أداء مهمة تتجاوز ما تستطيع الحواسيب الرقمية العادية إنجازه. وفي تلك المحاضرة، لم يكن مطلوبًا من عرض مقنع للتفوق أن يحل مشكلة صناعية مفيدة. بل كان يمكن أن يكون مهمة مصطنعة اختيرت لأنها صعبة المحاكاة كلاسيكيًا وممكنة التشغيل على عتاد المدى القريب.

هذا المعنى — أن يؤدي جهاز كمومي شيئًا ما يتجاوز حدود المحاكاة الكلاسيكية المعقولة أو يدفعها إلى أقصاها، وليس بالضرورة شيئًا يدفع أحد المال لحسابه — هو المعنى الذي ترسّخ في الأدبيات البحثية.

جاء الادعاء الأشهر في أكتوبر 2019، عندما نشرت Google ومعاونوها في Nature ورقة «Quantum supremacy using a programmable superconducting processor». وأفادوا بتجربة أخذ عينات من دارات عشوائية على معالج Sycamore ذي 53 كيوبتًا، وقدّروا أن مهمة استغرقت نحو 200 ثانية على جهازهم الكمومي ستستغرق نحو 10,000 سنة على حاسوب فائق متقدم. هذه الأرقام تقديرات المؤلفين، وليست ثابتًا كونيًا من ثوابت الطبيعة: فهي تعتمد على طريقة نمذجة المحاكاة الكلاسيكية.

ردّ باحثو IBM علنًا، بما في ذلك في منشور مدونة بعنوان «On ‘quantum supremacy’»، مجادلين بأن محاكاة كلاسيكية أكثر عناية — ولا سيما تلك التي تستفيد بشكل أفضل من التخزين الثانوي — يمكن أن تُنهي مهمة أخذ العينات نفسها في غضون أيام لا آلاف السنين. لم يكن الخلاف حول ما إذا كان Sycamore قد شغّل دارة صعبة، بل حول ما تعنيه عبارة «خارج متناول الحواسيب الكلاسيكية» عندما تُحدَّد الخوارزمية الكلاسيكية ونموذج الآلة بسخاء أكبر.

ذلك التبادل هو القالب لقراءة كل ادعاء لاحق من نوع التفوق: سمِّ المهمة، وسمِّ الجهاز الكمومي، وسمِّ خط الأساس الكلاسيكي، وتوقّع أن يتحرك خط الأساس مع تحسّن الخوارزميات الكلاسيكية.

الأفضلية الكمومية

تُستخدم «الأفضلية الكمومية» بطريقتين متداخلتين، ولهذا تثير الإرباك.

في الاستخدام الأول، هي مرادف ألطف للتفوق: حاسوب كمومي يتفوق على حاسوب كلاسيكي في مهمة محددة جيدًا. يفضّل بعض الباحثين كلمة «advantage» لأن لكلمة «supremacy» في الإنجليزية إيحاءات سياسية لا علاقة لها بالفيزياء. وعندما تقول ورقة إنها تتجنب كلمة supremacy لهذا السبب، فهي عادةً لا تزال تتحدث عن مقارنة حسابية، لا عن منتج أفضل عمومًا من الحواسيب الكلاسيكية.

وفي الاستخدام الآخر، تُحجز «advantage» لتسريع (أو تحسين في الكلفة أو الطاقة) في مشكلة يهتم بها الناس أصلًا — الكيمياء، والمواد، والتحسين، والتشفير — لا في مهمة أخذ عينات اختُرعت لأجل المقارنة. ووفق هذا الاستخدام الأكثر صرامة، يمكن لتجربة أخذ عينات من دارات عشوائية أن تكون تفوقًا دون أن تكون أفضلية.

لا يمكنك معرفة المعنى الذي يقصده الإعلان ما لم يذكر ما الذي قورن بماذا. والعنوان الذي يقول فقط «تحقيق الأفضلية الكمومية» عنوان ناقص.

الجدوى الكمومية

انتشر مصطلح «الجدوى» على نطاق واسع بعد ورقة نُشرت في Nature عام 2023 لـ Youngseok Kim وAndrew Eddins وAbhinav Kandala وزملائهم في IBM وشركاء أكاديميين، بعنوان «Evidence for the utility of quantum computing before fault tolerance». شغّلت التجربة دارات على معالج فائق التوصيل ذي 127 كيوبتًا وذي ضوضاء، بما في ذلك دارات تضم ما يصل إلى 60 طبقة من البوابات ثنائية الكيوبت (2,880 بوابة CNOT في أكبر الحالات التي أبرزوها). وجادل المؤلفون بأنهم تمكنوا من قياس قيم متوقعة دقيقة على نطاق يتجاوز الحوسبة الكلاسيكية بالقوة الغاشمة، وبأن نتائجهم ظلت موثوقة في نظام شديد التشابك حيث انهارت بعض الطرق الكلاسيكية التقريبية الرائدة، ومنها بعض مقاربات شبكات الموترات.

يترتب على الورقة نفسها تحفظان مباشران. أولًا، يقدّم المؤلفون ذلك بوصفه دليلًا على الجدوى في حقبة ما قبل تحمل الأخطاء — أساسًا لاستكشاف أساليب المدى القريب — لا ادعاءً بأن تطبيقًا تجاريًا يتفوق الآن على كل حلّال كلاسيكي. ثانيًا، يقارنون بتقنيات كلاسيكية بعينها (المحاكاة بالقوة الغاشمة حيث لا تزال ممكنة، وطرق تقريبية مسمّاة حيث لا تكون كذلك). ويمكن لخوارزميات كلاسيكية لاحقة أن تضيّق تلك الفجوة أو تغلقها، تمامًا كما ردّت أعمال المحاكاة الكلاسيكية على أجزاء من مقارنة التفوق عام 2019.

وفي لغة تسويقية أكثر تساهلًا، تُمدَّد «الجدوى» أحيانًا لتعني «العملاء يحصلون على قيمة من نظامنا الكمومي». قد يكون ذلك تصريحًا تجاريًا معقولًا، لكنه ليس التصريح نفسه الوارد في ورقة 2023.

موقع هذه الكلمات من NISQ وتحمل الأخطاء

وصفت مقالة Preskill اللاحقة عن NISQ (2018) حقبة أجهزة تضم من عشرات إلى مئات الكيوبتات ذات الضوضاء، مثيرة للاهتمام بما يكفي لتشغيل تجارب يصعب محاكاتها، لكنها غير محمية بعد بتصحيح أخطاء كامل متحمل للأخطاء. وتنتمي تجارب أخذ العينات من نوع التفوق إلى تلك الحقبة بطبيعة الحال: فهي تسأل عما إذا كان جهاز ذو ضوضاء يستطيع التفوق على المحاكاة الكلاسيكية في مهمة مصممة خصيصًا.

أما الخوارزميات المفيدة واسعة النطاق التي تتناولها الكتب الدراسية فتفترض عمومًا آلة متحملة للأخطاء، تكون فيها الكيوبتات المنطقية والبوابات المنطقية موثوقة بما يكفي لتشغيل دارات عميقة. وهذا إنجاز مختلف عن التفوق أو الأفضلية أو الجدوى. يمكن لمجموعة أن تُبلغ عن تقدم في تصحيح الأخطاء دون ادعاء الأفضلية، ويمكنها أن تُبلغ عن تجربة من نوع التفوق دون أن تمتلك كيوبتًا منطقيًا.

الخلط بين هذه الطبقات — «أثبتنا التفوق، إذن وصلت الخوارزميات المفيدة» — هو القفزة الأكثر شيوعًا في الكتابات الشعبية. ونادرًا ما تقوم الأوراق التجريبية نفسها بهذه القفزة.

اختبار قراءة لأي من الادعاءات الثلاثة

أيًّا كانت الكلمة التي يختارها الإعلان، تنطبق الأسئلة نفسها:

• المهمة. ما المدخلات المعطاة، وما المخرجات الناتجة، ولماذا يصعب الحصول على تلك المخرجات كلاسيكيًا؟
• الجهاز الكمومي. كم كيوبتًا، وأي نوع، وما عمق الدارة، وما أساليب تخفيف الأخطاء أو تصحيحها المستخدمة؟
• خط الأساس الكلاسيكي. أي خوارزمية، وأي آلة، وكم من الوقت والذاكرة، ومن اختار طريقة التنفيذ — الفريق الكمومي أم مجموعة كلاسيكية مستقلة؟
• التحقق. كيف يعرف أحد أن المخرجات الكمومية صحيحة عندما تصبح المشكلة أكبر من أن تُحاكى بدقة؟
• ثبات الادعاء. هل قلّصت طريقة كلاسيكية لاحقة الفجوة بالفعل؟ يمكن لادعاءات التفوق والأفضلية أن تنكمش دون أي خطأ في التجربة الأصلية.
• الفائدة. هل المهمة شيء أراد مستخدم من خارج التجربة حلّه، أم معيار أداء صُمم لأجل المقارنة؟

إذا كانت هذه الإجابات موجودة في الورقة أو في منشور المدونة التقني، فإن الكلمة الواردة في العنوان تصبح أقل أهمية. وإن لم تكن موجودة، فلا يمكن لكلمة العنوان أن تعوّضها.

كيف يستخدم DesignQuantum^™ هذه المصطلحات

في أخبارنا، نفضّل أن نعيد ذكر المقارنة التي أجرتها المجموعة المعلنة فعليًا، بكلماتها هي ومع نسبتها إليها، ثم نضع رابطًا إلى الورقة أو المنشور. ولا نستخدم «التفوق» أو «الأفضلية» أو «الجدوى» بصوتنا الخاص إلا عندما يكون واضحًا أي مقارنة هي المقصودة. وعندما يستخدم بيان صحفي إحدى هذه الكلمات دون مقارنة، نعامل ذلك كادعاء من المتحدث، لا كنتيجة قيّمناها بشكل مستقل.

ستظل المفردات تتغير. أما ما لا ينبغي أن يتغير فهو اشتراط أن يسمّي أي ادعاء حسابي مهمته وخط أساسه.