عرض لنماذج بديلة تنبؤية فعالة لمعالجات كمومية واسعة النطاق

لماذا هذا مهم للحوسبة المستقبلية

تعد أجهزة الحوسبة الكمومية بقدرة على معالجة مشكلات تتجاوز قدرات آلات اليوم، من محاكاة مواد جديدة إلى استكشاف حالات مادة غريبة. ومع ذلك، فإن معالجات الكم المتطورة مكلفة وحساسة ونادرة، مما يقيّد من يمكنه استخدامها وعدد المرات المتاحة. تقدم هذه الدراسة طريقة لـ «حَصْر» السلوك النموذجي لمُعالج كمومي واسع النطاق داخل نموذج كلاسي فعال، بحيث يمكن إنجاز العديد من المهام على حاسوب عادي بعد وصول محدود فقط إلى الجهاز الكمومي الحقيقي.

التقاط بصمة الحاسوب الكمومي

يركز المؤلفون على كمية رئيسية تظهر في العديد من الخوارزميات الكمومية: القيمة المتوسطة لقياس يتم بعد تشغيل دائرة كمومية على معالج ضوضائي. بدلاً من محاكاة كل التفاصيل المجهرية، يبنون ما يسمونه بالنماذج البديلة التنبؤية. هذه نماذج تعلمية كلاسيكية تُدرَّب على بيانات جُمعت من شريحة كمومية فائقة التوصيل فعلية. بمجرد تدريبها، يمكن للنموذج البديل أن يتنبأ بسرعة بمتوسطات القياسات لإعدادات دوائر جديدة دون لمس الأجهزة الكمومية مرة أخرى، ويعكس تلقائيًا الضوضاء والعيوب الحقيقية للشريحة.

نوعان من البدائل الرقمية

صمّم الفريق وحلّل نوعين من النماذج البديلة الملائمة لحالات استخدام مختلفة. الأول، المسمى h_cs، يتعامل مع الدوائر التي تتباين فيها معلمات التحكم بشكل مستقل ويدعم العديد من القياسات المحلية دفعة واحدة. يعتمد على فكرة الظلال الكلاسيكية، وهي تقنية تضغط المعلومات من قياسات عشوائية إلى تمثيل كلاسي مكثف. الثاني، المسمى h_qs، يستهدف الحالات التي تكون فيها العديد من المعلمات في الدائرة مترابطة، كما يحدث غالبًا في محاكاة المواد أو الكيمياء أو التعلم الآلي الكمومي. صُمم للعمل مع مدخلات مترابطة مأخوذة من توزيعات عامة، ما يطابق عبء العمل العلمي الواقعي بشكل أوثق.

تطبيق البدائل قيد العمل

لاختبار هذه الأفكار، استخدم الباحثون معالجًا كموميًا فائق التوصيل يضم ما يصل إلى 42 كيوبت عامل. أظهروا أولًا أن h_cs يمكنه التنبؤ بثبات بطاقة طاقة نموذج مغناطيس كمومي — نموذج إيزينغ أحادي البعد بالمجال العرضي — عبر اختيارات متعددة لمعلمات النموذج. ثم استخدموا هذا النموذج البديل لتهيئة روتين شائع الاستخدام يُسمى مُحلل القيم الذاتية الكمومي المتغير. أُجريت عملية التحسين بالكامل على حاسوب كلاسيكي موجهًا بواسطة النموذج البديل، وفُحصت وصُقلت لاحقًا قليلًا على الشريحة الكمومية الفعلية. تقطع هذه المقاربة عدد القياسات الكمومية المطلوبة بمقدار عدة أوامر من الحجم، ومع ذلك تصل إلى تقديرات طاقة أقل من تشغيل التحسين الكمومي الكامل من البداية.

كشف الأطوار المخفية للمادة المدفوعة دورياً

طُبّق النموذج البديل الثاني h_qs على مهمة أكثر غرابة: تحديد أطوار خاصة في سلسلة من الدورات المغناطيسية تُقاد دورياً في الزمن، والمعروفة بأطوار الحماية الطوبولوجية بموجب تميّز فلوكيت. تقليديًا، يتطلب رسم خريطة هذه الأطوار العديد من القياسات التكرارية على الجهاز الكمومي أثناء تغير إعدادات التحكم. بدلاً من ذلك، درّب المؤلفون عائلة من النماذج البديلة التي تتعلم كيف يستجيب المغنطة المحلية على طول السلسلة للدفع الدوري. باستخدام حسابات كلاسيكية فقط مع النماذج المدربة، أعادوا بناء بصمات تذبذبات حافة طويلة الأمد وحددوا الانتقال بين الطور المحمي والطور الحراري الخالي من السمات، متوافقًا مع تجارب الأجهزة الكمومية المباشرة.

ماذا يعني هذا للوصول إلى قوة الكم

بإثبات أن هذه النماذج البديلة يمكن تدريبها بكفاءة وإظهار أنها تمتد إلى عشرات الكيوبتات على جهاز حقيقي، يقترح العمل طريقة جديدة لمشاركة الموارد الكمومية النادرة. يمكن تقطير مجموعة محدودة من القياسات على معالج متقدّم إلى نموذج كلاسيكي قابل لإعادة الاستخدام يمكن لعديد من المستخدمين الاستعلام عنه بتكلفة منخفضة. وبينما لا تحل هذه النماذج البديلة محل الحواسيب الكمومية، فإنها قد تقلل بشكل كبير عدد المرات التي نحتاج فيها لتشغيلها لمهام تعتمد على قيم القياسات المتوسطة، مما يقرب دراسات مدعومة بالكم عن المواد والكيمياء والأطوار الجديدة للمادة إلى الاستخدام العلمي اليومي العملي.

الاستشهاد: Liao, WY., Du, Y., Wang, X. et al. Demonstration of efficient predictive surrogates for large-scale quantum processors. Nat Commun 17, 4731 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-72506-5

الكلمات المفتاحية: المعالجات الكمومية, نماذج بديلة تنبؤية, مُحلل القيم الذاتية الكمومي المتغير, المحاكاة الكمومية الرقمية, طور فلوكيت

اقرأ المزيد على موقع مجموعة البحث: http://staff.ustc.edu.cn/~quanhhl/