تقنية IBM الكمومية

تمتلك IBM® أكبر أسطول من الحواسيب الكمومية في العالم، وجميعها مزودة بما لا يقل عن 127 كيوبت. تستخدم هذه الحواسيب الكمومية كيوبتات ترانسمون فائقة التوصيل، وهي ليست النوع الوحيد من الكيوبتات، لكنها تتمتع بمزايا كثيرة. يتيح الجمع بين حواسيبنا الكمومية العالمية المستوى وبين Qiskit لمستخدمينا استكشاف كيف يمكن للحوسبة الكمومية أن تكون مفيدة في العالم اليوم. يستخدم الشركاء الصناعيون والباحثون تقنية IBM Quantum® لاستكشاف حسابات ذات معنى وتطبيقات واقعية. دعنا نستعرض نطاق البرامج والخدمات التي تقدمها IBM Quantum لشركائها.

إذا كنت جزءًا من مؤسسة عضو في شبكة IBM Quantum Network، فتأكد من التواصل مع مجموعة الحوسبة الكمومية في مؤسستك لتحديد المزايا التي يمكنك الوصول إليها.

أهداف التعلم

بنهاية هذه الوحدة، ينبغي أن تكون قادرًا على:

• التعرف على أن حل المشكلات ذات المعنى يتطلب الجمع بين الموارد الكمومية والكلاسيكية.
• تحديد الأجهزة والبرمجيات والخدمات المتاحة لحل المشكلات ذات المعنى.
• وصف كيفية قياس أداء الحوسبة الكمومية، بما يشمل الحجم والجودة والسرعة.

منصة IBM Quantum

توفر منصة IBM Quantum مجموعة من أدوات الحوسبة الكمومية التي تجمع كل موارد البحث والتطوير التي يحتاجها المستخدمون للقيام بعمل رائع، في مكان واحد. يمكن للمستخدمين إنشاء حساب وتسجيل الدخول للوصول إلى حواسيب IBM الكمومية، وعرض تفاصيل الحاسوب، وتتبع أعباء العمل، والوصول إلى مواد التمكين في التوثيق والتعلم.

• الصفحة الرئيسية تعمل كنقطة انطلاق رئيسية لنظام المنتجات البيئي، حيث يمكن للمستخدمين الحصول على مفاتيح API الخاصة بهم، وعرض ملخص لمثيلاتهم ومعلومات الاستخدام، وعرض تفاصيل الوظائف الأخيرة، والوصول إلى روابط مفيدة لأماكن أخرى عبر المنصة.
• التوثيق يجمع توثيق Qiskit وتوثيق الخدمات ومعلومات مرجع API في موقع واحد، منظمة بطريقة تدعم سير عمل المستخدمين الطبيعي.
• التعلم هو موطن المواد التعليمية بما في ذلك الدورات ووحدات التدريس، ومحرر الدوائر التفاعلي (قريبًا). يتيح هذا المحرر الجمع بين الرسوميات والكود للمستخدمين نمذجة الدوائر وتشغيلها ومحاكاتها وتصحيحها بصريًا، ثم تشغيلها على حواسيب IBM الكمومية.

Qiskit Runtime

Qiskit Runtime هو بنية محمولة وآمنة ومعبأة في حاويات تشغّل البرامج الكمومية على وحدة حوسبة كلاسيكية متكاملة بإحكام مع المعالج الكمومي. يتيح Qiskit Runtime للحاسوب الكمومي أن يصبح جزءًا من أي بيئة حوسبة لتسريع العمليات الحسابية — شبيهًا بوحدة معالجة الرسومات (GPU) — ويتولى تنسيق المهام ونقل البيانات إلى وحدة المعالجة الكمومية، مما يُعظّم الكفاءة.

يجعل Qiskit وQiskit Runtime من السهل تنسيق البرامج بسرعة عبر موارد الحوسبة على السحابة. تبني IBM برمجيات وسيطة للكم لتعظيم أداء التطبيقات الكمومية التي تعمل عبر موارد الحوسبة الكلاسيكية والكمومية المتوازية والسحابية. تشمل هذه البرمجيات الوسيطة صندوق أدوات تقطيع الدوائر وبنية الكم بلا خوادم.

يتيح إضافة Qiskit لتقطيع الدوائر للمطورين تقطيع الدوائر الكبيرة إلى دوائر أصغر مناسبة للحواسيب الكمومية الحالية. يستخدم حياكة الدوائر الحسابَ الكلاسيكي لتحمّل بعض العبء الحسابي للدائرة الكمومية، لتجاوز ما يمكن تحقيقه بأي منهما منفردًا. تساعد أدوات إضافية في إعادة بناء الدوائر بالموارد الكلاسيكية ودمج النتائج النهائية.

Quantum Serverless هو مجموعة أدوات تنسيق متعدد السحابات لربط الموارد الكلاسيكية المرنة بخدمة IBM Qiskit Runtime. يتيح Quantum Serverless للمطورين التركيز على الكود بدلًا من توفير الموارد.

حواسيب IBM الكمومية فائقة التوصيل

تستخدم معالجات IBM الكمومية نوعًا فيزيائيًا من الكيوبتات يُسمى كيوبت ترانسمون فائق التوصيل، وهو مصنوع من مواد فائقة التوصيل منقوشة على ركيزة سيليكون. قد تستخدم معالجات كمومية أخرى كيوبتات فوتونية مصنوعة من فوتونات ضوء مفردة، أو كيوبتات الأيونات المحتجزة التي تخزن المعلومات في جسيمات ذرية مشحونة. لتسهيل تدفق التيار الكهربائي، تحتاج الكيوبتات فائقة التوصيل إلى الحفاظ على درجات حرارة منخفضة للغاية — قريبة من الصفر المطلق.

معالج IBM بـ 127 كيوبت

أداء الحوسبة الكمومية

قياس أداء الحوسبة الكمومية

الحاسوب الكمومي العالمي المتسامح مع الأخطاء هو التحدي الكبير في الحوسبة الكمومية. إنه جهاز يستطيع تنفيذ العمليات الكمومية الشاملة بشكل صحيح باستخدام مكونات غير موثوقة. الحواسيب الكمومية اليوم ليست متسامحة مع الأخطاء.

لمقارنة الحواسيب الكمومية ببعضها، لا يكفي عدد الكيوبتات. يجب مراعاة تفاصيل كثيرة أخرى، مثل معدلات الخطأ وكيفية توصيل النظام. توجد أربعة مقاييس رئيسية لقياس أداء الحوسبة الكمومية:

• الحجم - يُقاس بـ عدد الكيوبتات، ويشير إلى كمية المعلومات التي يمكننا ترميزها في الحاسوب الكمومي.
• الجودة - تُقاس بـ الحجم الكمومي (Quantum Volume)، ويشير إلى جودة الدوائر ومدى تنفيذها بدقة في الأجهزة.
• السرعة - تُقاس بـ CLOPS (عمليات طبقة الدائرة في الثانية)، وتشير إلى عدد الدوائر التي يمكن تشغيلها على الأجهزة في وقت معين.
• دقة الطبقة - تُقاس بـ EPLG (الأخطاء لكل بوابة طبقية)، ويصف كيفية حدوث الأخطاء عند تنفيذ العمليات على الكيوبتات.

للاطلاع على وصف أكثر تفصيلًا لبعض المقاييس المذكورة أعلاه، راجع هذا المقال على مدونة IBM Research. تتميز كل مرحلة في اعتماد الحوسبة الكمومية في الصناعة بزيادة الحجم الكمومي، الذي يُحسب باستخدام معاملات متنوعة مثل عرض الدائرة وتوصيل الكيوبتات ومعدلات الخطأ.

التعريف التقني للحجم الكمومي يصعب توصيله دون معادلات. يشرح داريو جيل، مدير الأبحاث في IBM:

لفهم الحجم الكمومي بشكل أفضل، تأمّل التشبيه الرائع التالي. يغطي القسم أدناه الوقت والمكان ومعدلات الخطأ من منظور جولة في مدينة نيويورك.

جولة في فضاءات الحجم الكمومي

يصف الحجم الكمومي أكبر فضاء حسابي كمومي يمكن للحاسوب الكمومي استكشافه، حيث حجم الفضاء الكمومي هو 2^N، وN هو عدد الكيوبتات، أي بُعد فضاء الحالة المعتاد. نستخدم كلمة "فضاء" هنا عمدًا لأنه بمجرد ذكر الفضاء، يصبح التفكير في الحجم أمرًا مباشرًا.

العامل الذي يحد من هذا الاستكشاف هو معدل الخطأ. يمكن معادلة معدل الخطأ بمقدار الوقت المسموح لنا باستكشاف الفضاء. المزيد من الأخطاء يعني وقتًا أقل للاستكشاف. كلما زاد الفضاء الحسابي، زاد الوقت اللازم لاستكشافه بالكامل، وبالتالي نحتاج إلى حاسوب كمومي بمعدل خطأ أصغر.

تخيّل سائحًا يستكشف مدينة نيويورك. يريد السائح استكشاف المدينة كاملة، أي يريد حجم سياحي بحجم نيويورك. إذا أعطينا السائح يومًا واحدًا فقط، فلا طريقة لاستكشاف كل هذا الفضاء، لذا لن يحقق السائح الحجم السياحي المطلوب. لكن إذا أعطيناه ثلاثة أيام، يمكنه على الأرجح زيارة كل المعالم الرئيسية وتحقيق الحجم السياحي لنيويورك.

الآن، ماذا لو أعطينا السائح وقتًا أطول لكن ما زلنا نحصره في نيويورك؟ بمعنى آخر، ماذا لو أبقينا عدد الكيوبتات ثابتًا لكن خفضنا معدل الخطأ؟ حينها لن يستفيد السائح من الوقت الإضافي لأنه استكشف المدينة بالفعل وبات يزور نفس الأماكن مرارًا. يظل حجمه السياحي كما هو. بدلًا من ذلك، مع الوقت الإضافي، الأذكى للسائح هو توسيع عدد المعالم السياحية التي يزورها.

أو افترض أن الوقت ثلاثة أيام لكن السائح قرر استكشاف نيويورك وجزيرة لونج آيلاند معًا؟ بمعنى آخر، ماذا لو ثبّتنا معدل الخطأ لكن أضفنا كيوبتات أكثر؟ مرة أخرى، يظل الحجم السياحي بحجم نيويورك لأن السائح لا يستطيع استكشاف الفضاء الأكبر في الوقت المحدد. وبذلك، يتطلب تحقيق حجم سياحي أكبر زيادة فضاء الاستكشاف ووقت الاستكشاف في آنٍ واحد.

بالمثل تمامًا، بناء حواسيب كمومية أفضل تحقق أحجامًا كمومية أعلى يستلزم زيادة الفضاء الحسابي الكمومي (عدد الكيوبتات) في آنٍ مع خفض معدل الخطأ (أي زيادة وقت تشغيل الخوارزمية). على سبيل المثال، من خلال التقدم في بنى الاقتران القابلة للضبط، ضاعفت IBM الحجم الكمومي مرتين في عام واحد فقط!

مع ذلك، بتطور الحوسبة الكمومية، نبدأ في الاهتمام أكثر بالعمل المفيد الذي يمكن لحواسيبنا الكمومية إنجازه في وقت معقول. إذا قسنا الحجم بعدد الكيوبتات والجودة بالحجم الكمومي، فإن سرعة المعالجة الكمومية هي مقياس العمل المفيد الذي يمكن لتلك الكيوبتات إنجازه في وقت معقول. نعرّفها بعدد الدوائر الأولية التي يمكن معالجتها في الثانية. إنها مشابهة لـ FLOPS في الحوسبة الكلاسيكية — عدد عمليات الفاصلة العائمة في الثانية. تحسين سرعة QPU هو مفتاح الحوسبة الكمومية العملية. مثل برمجة الحاسوب الكلاسيكي، تتطلب البرمجة الكمومية تشغيل دوائر كثيرة. ستتيح سرعة QPU المعقولة للمستخدمين دمج الحوسبة الكمومية ضمن سير عملهم.

تحقق من فهمك

اقرأ السؤال التالي، فكّر في إجابتك، ثم انقر على المثلث لكشف الحل.

صح أم خطأ: يشير الحجم الكمومي إلى حجم أجهزة التبريد بالتخفيف التي تحتضن حواسيب IBM الكمومية.

خطأ. الحجم الكمومي هو رقم واحد يهدف إلى تلخيص أداء الحواسيب الكمومية الحالية.

ما المقبل في الحوسبة الكمومية

الحواسيب الكمومية اليوم، وتلك المتوقعة في المستقبل المنظور، صاخبة. هذا يعني أنها حساسة للاضطرابات البيئية التي يمكن أن تؤثر على دقة النتائج. تمامًا كما تطورت الحوسبة الكلاسيكية من خلال التوسع النمطي للمعالجات والحوسبة الفعالة والتوازي، نرى الحوسبة الكمومية تتطور لتحقيق كامل إمكاناتها. بينما نعمل نحو حواسيب كمومية متسامحة تمامًا مع الأخطاء، نريد حل مشكلات مفيدة بالأجهزة والبرمجيات التي نمتلكها اليوم.

المنفعة الكمومية

قدّمت IBM Quantum وجامعة كاليفورنيا في بيركلي أدلة على أن الحواسيب الكمومية يمكنها تقديم قيمة أسرع مما كان متوقعًا بفضل التقدم في أجهزة IBM Quantum وأساليب التخفيف من الأخطاء. وبعيدًا عن مجرد إثبات المفهوم، حققنا نتائج دقيقة بما يكفي لتكون مفيدة. نموذج الحوسبة الذي استكشفناه في هذا العمل هو جانب أساسي من كثير من الخوارزميات المصممة للحواسيب الكمومية قريبة المدى.

حلقة التغذية الراجعة بين الكمومي والكلاسيكي هي مفتاح تطوير التقنيات الكمومية. مع التركيز على المنفعة الكمومية، نستخدم الكم لاستكشاف المشكلات المعقدة التي تتحدى أطر الحوسبة عالية الأداء الحالية، ثم نتحقق من النتائج كلاسيكيًا. هذا التبادل المستمر بين تشغيل الكم لدائرة معقدة وتحقق الحواسيب الكلاسيكية من نتائجها سيُحسّن كلا المجالين الحسابيين ويمنح المستخدمين الثقة في قدرات الحواسيب الكمومية قريبة المدى.

قراءة اختيارية — انقر على المثلث لقراءة المزيد عن التجربة

• في هذه التجربة، استخدمنا جميع 127 كيوبتًا في معالج IBM Quantum Eagle لمحاكاة السلوك المتغير لنظام يتوافق طبيعيًا مع الحاسوب الكمومي، ويُعرف بنموذج إيزينج الكمومي. نماذج إيزينج هي تبسيطات للطبيعة تمثل الذرات المتفاعلة كشبكة من الأنظمة الكمومية ذات الخيارين المتفاعلة في حقل طاقة. تشبه هذه الأنظمة كثيرًا الكيوبتات ذات الحالتين التي تشكّل حواسيبنا الكمومية، مما يجعلها مناسبة لاختبار قدرات أساليبنا. استخدمنا ZNE لمحاولة حساب خاصية النظام المسماة قيمة التوقع بدقة — وهي في الأساس متوسط مرجح للنتائج المحتملة للدائرة.

• في الوقت ذاته، حاول فريق بيركلي محاكاة النظام نفسه باستخدام أساليب الشبكة الموترية بمساعدة الحواسيب العملاقة الموجودة في مركز الحوسبة العلمية لأبحاث الطاقة الوطنية (NERSC) التابع للمختبر الوطني لورنس بيركلي وفي جامعة بوردو.

• واصلت الأساليب الكمومية التوافق مع الأساليب الدقيقة. لكن في نهاية المطاف، بدأت أساليب التقريب الكلاسيكية تتعثر مع رفع مستوى الصعوبة.

• أخيرًا، طلبنا من كلا الحاسوبين إجراء حسابات تتجاوز ما يمكن حسابه بدقة — وعاد الحاسوب الكمومي بإجابة كنا أكثر ثقة في صحتها. وبينما لا نستطيع إثبات ما إذا كانت تلك الإجابة صحيحة فعلًا، منحتنا نجاحات Eagle في الجولات السابقة من التجربة ثقة بذلك.

تصحيح الأخطاء

كان تصحيح الأخطاء مجالًا رئيسيًا للبحث لعقود. لكن معظم هذا الوقت كانت تقنيات تصحيح الأخطاء النظرية غير عملية للتطبيق على الحواسيب الكمومية الفعلية، في الغالب بسبب العدد الكبير جدًا من الكيوبتات المطلوبة. في الواقع، يتوقع كثير من الخبراء أن الحوسبة الكمومية المتسامحة مع الأخطاء ستتطلب ملايين الكيوبتات الفيزيائية. لكن في ورقة بحثية نُشرت مؤخرًا على غلاف مجلة Nature، قدّم باحثون من IBM شيفرة جديدة نسميها Gross code تتغلب على هذا القيد.

تصف الورقة ذاكرة الكم المتسامحة مع الأخطاء ذات العتبة العالية والحمل المنخفض شيفرة تصحيح الأخطاء الكمومية الجديدة التي تبلغ كفاءتها في حماية البيانات الكمومية الحساسة من تراكم الأخطاء نحو 10 أضعاف كفاءة الأساليب السابقة. للتصور مدى قُربنا الآن من بداية تصحيح الأخطاء، اعلم أنه باستخدام Gross code، يمكنك حماية 12 كيوبتًا منطقيًا لمدة مليون دورة تحقق من الأخطاء تقريبًا باستخدام 288 كيوبتًا.

لا يُتوقع أن يحل تصحيح الأخطاء محل التخفيف من الأخطاء وإخماد الأخطاء فجأة. بل على مدى السنوات القليلة القادمة، سيواصل التخفيف من الأخطاء وإخمادها دورًا محوريًا، جنبًا إلى جنب مع أعداد متزايدة من الكيوبتات المصحَّحة الأخطاء.

خارطة طريق تطوير IBM Quantum

نحن الآن بثبات في عصر المنفعة الكمومية. هذا يعني أن الحواسيب الكمومية أفضل في الحوسبة الكمومية من الحواسيب الكلاسيكية، ويمكن لمستخدمينا الاستفادة منها لاكتشاف خوارزميات جديدة والبحث عن مزايا كمومية. تحدد خارطة طريقنا معالمنا التاريخية وخططنا لتحقيق ميزة كمومية قريبة المدى بحلول عام 2026.

بحلول عام 2029، سنطرح Starling — حاسوبًا كموميًا متسامحًا مع الأخطاء على نطاق واسع قادرًا على تشغيل دوائر كمومية تضم 100 مليون بوابة كمومية على 200 كيوبت منطقي. نبني هذا النظام الآن في منشأتنا التاريخية في مدينة Poughkeepsie بولاية نيويورك. اعرف المزيد عن تقدمنا في ملف PDF لخارطة الطريق الموجَّهة.

اقرأ المزيد عن خارطة طريق تطوير IBM Quantum هنا.

تحدي 5 آلاف

تعمل IBM مع مجتمع أبحاث الكم للعثور على حالات استخدام محتملة يمكن أن تستفيد من الحوسبة الكمومية. نوفر أدوات متزايدة القوة حتى يتمكن المستخدمون من استكشاف مشكلات ملحّة بالكم. في عام 2024، أصدرنا أداة قادرة على حساب مراقبات غير منحازة لدوائر طويلة عالية الجودة. كان إيجاد ما يمكن تحقيقه بهذا الجمع من أكثر من 100 كيوبت ودوائر عميقة يُعرف في وقت من الأوقات بـ "تحدي 100×100". لكن العدد الدقيق للكيوبتات والعمق في كل منها أقل أهمية من تسخير قوة الجمع. تخيّل ما هو ممكن مع 5000 دائرة كمومية في حساب واحد. ​يمكن للمستخدمين تشغيل دوائر كمومية بتعقيد ووقت تشغيل يتجاوز قدرات أفضل الحواسيب الكلاسيكية اليوم. نحن متحمسون لرؤية ما سيبني مجتمع الكم للمساعدة في تسخير قوة الكم وحل المشكلات المهمة.

الحواسيب العملاقة الكمومية المركزية

تجاوز معالجات الشريحة الواحدة هو مفتاح حل المشكلات على نطاق واسع. في عام 2024، قدّمنا Crossbill، أول معالج واحد مصنوع من رقائق متعددة. هذه هي الخطوات الأولى لفجر عصر جديد من التوسع، توفر مسارًا واضحًا نحو 100,000 كيوبت وما بعده مع الحوسبة العملاقة الكمومية المركزية. هذه بنية حوسبة نمطية تُمكّن من التوسع. تجمع بين الاتصال الكمومي والحسابات لزيادة القدرة الحسابية، مع استخدام برمجيات وسيطة سحابية هجينة لدمج سير العمل الكمومي والكلاسيكي بسلاسة.

حل أعقد مشكلات العالم سيتطلب مزيجًا من الموارد الكلاسيكية والكمومية. فضلًا عن ذلك، سيعتمد على التعاون المستمر بين الصناعة والأوساط الأكاديمية.

الخلاصة

يمكنك استحضار هذه النقاط الرئيسية:

• الحواسيب الكمومية اليوم ليست متسامحة مع الأخطاء.
• الحجم الكمومي هو مقياس شامل لجودة الحاسوب الكمومي. كلما زاد الحجم الكمومي، كان أفضل. الحديث عن عدد الكيوبتات فحسب أمر مضلل.
• لقياس أداء الحواسيب الكمومية، توجد أربعة مقاييس رئيسية: الحجم والجودة والسرعة ودقة الطبقة.
• قدّمت تجربة مشتركة بين IBM Quantum وجامعة كاليفورنيا في بيركلي أدلة على أن حواسيب IBM الكمومية تُقدّم نتائج موثوقة ودقيقة لمشكلات المحاكاة الصعبة بحجم 127 كيوبتًا.
• الحوسبة العملاقة الكمومية المركزية تعني التعامل مع الكم كجزء واحد من نموذج HPC أوسع حيث يعمل الكلاسيكي والكمومي كوحدة حسابية واحدة.