بعد الضرب الكمي ، نجا نهج واحد سالما

تحظى أجهزة الكمبيوتر الكمومية بالكثير من الضجيج ، لكن الحقيقة هي أننا ما زلنا غير متأكدين من الغرض منها. تستفيد هذه الأجهزة من الفيزياء الغريبة للعالم دون الذري ولديها القدرة على إجراء حسابات لا تستطيع أجهزة الكمبيوتر العادية والكلاسيكية ببساطة القيام بها. ولكن ثبت أنه من الصعب العثور على أمثلة لأي خوارزميات ذات "ميزة كمية" واضحة تتيح أداءً بعيدًا عن متناول الآلات الكلاسيكية.

بالنسبة لمعظم 2010s ، شعر العديد من علماء الكمبيوتر أن مجموعة معينة من التطبيقات لديها فرصة رائعة في العثور على هذه الميزة. ستكون بعض حسابات تحليل البيانات أسرع بشكل كبير عندما يتم سحقها بواسطة كمبيوتر كمي.

ثم جاء إوين تانغ. بصفتها خريجة جامعية حديثة تبلغ من العمر 18 عامًا في عام 2018 ، وجدت طريقة جديدة لأجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية لحل هذه المشكلات ، صفع أسفل الميزة التي وعدت بها الخوارزميات الكمومية. بالنسبة للكثيرين ممن يعملون على أجهزة الكمبيوتر الكمومية ، مشيككان عمل الحساب. قال "واحدًا تلو الآخر ، تم إنهاء حالات الاستخدام المثيرة للغاية هذه للتو" كريس كيد، عالم كمبيوتر نظري في مركز أبحاث الحوسبة الكمومية الهولندي QuSoft.

ولكن نجت خوارزمية واحدة سليمة: تطور كمي على نهج رياضي متخصص لدراسة "شكل" البيانات ، يسمى تحليل البيانات الطوبولوجية (TDA). بعد سلسلة من الأوراق البحثية في سبتمبر ، يعتقد الباحثون الآن أن حسابات TDA هذه تتجاوز متناول أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية ، ربما بسبب اتصال خفي بفيزياء الكم. لكن هذه الميزة الكمية قد تحدث فقط في ظل ظروف محددة للغاية ، مما يجعل التطبيق العملي لها موضع تساؤل.

يتذكر Seth Lloyd ، مهندس ميكانيكا الكم في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا الذي شارك في إنشاء خوارزمية TDA الكمومية ، أصلها بوضوح. هو وزميله فيزيائي باولو زاناردي كانوا يحضرون ورشة عمل في الفيزياء الكمومية في بلدة شاعرية في جبال البرانس في عام 2015. بعد أيام قليلة من المؤتمر ، كانوا يتخطون المحادثات للتسكع في فناء الفندق وهم يحاولون التفاف رؤوسهم حول تقنية رياضية "مجردة مجنونة" سمعوا عنها لتحليل البيانات.

وقع زاناردي في حب الرياضيات الكامنة وراء TDA ، والتي كانت متجذرة فيها طوبولوجيا، فرع من الرياضيات يهتم بالميزات التي تبقى عند سحق الأشكال أو شدها أو التواءها. قال "هذا أحد فروع الرياضيات التي تتسرب فقط إلى كل شيء" فدان دانجو، باحث الحوسبة الكمومية في جامعة ليدن. "انها في كل مكان." أحد الأسئلة المركزية في المجال هو عدد الثقوب في كائن ما ، يسمى رقم Betti.

يمكن أن تمتد الطوبولوجيا إلى ما وراء أبعادنا الثلاثة المألوفة ، مما يسمح للباحثين بحساب أرقام Betti في كائنات رباعية و 10 وحتى 100 بعد. هذا يجعل الهيكل أداة جذابة لتحليل أشكال مجموعات البيانات الضخمة ، والتي يمكن أن تشمل أيضًا مئات أبعاد الارتباطات والوصلات.

حاليًا ، يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية حساب أرقام Betti حتى أربعة أبعاد تقريبًا. في فناء فندق بيرينيه ، حاول لويد وزاناردي كسر هذا الحاجز. بعد حوالي أسبوع من المناقشة وخربشت المعادلات ، كان لديهم العظام المجردة لخوارزمية كمومية يمكنها تقدير أرقام بيتي في مجموعات بيانات ذات أبعاد عالية جدًا. أنهم نشرت في عام 2016 ، ورحب الباحثون به في مجموعة التطبيقات الكمية لتحليل البيانات التي اعتقدوا أن لها ميزة كمية ذات مغزى.

في غضون عامين ، كان TDA هو الوحيد الذي لم يتأثر بعمل تانغ. بينما تعترف تانغ بأن TDA "مختلف حقًا عن الآخرين" ، فقد تُركت هي وباحثون آخرون يتساءلون إلى أي درجة كان الهروب منها مجرد صدفة.

قرر Dunjko وزملاؤه أخذ لقطة أخرى لإيجاد خوارزمية كلاسيكية لـ TDA يمكنها القضاء على ميزتها الكمية. للقيام بذلك ، حاولوا تطبيق أساليب Tang على هذا التطبيق المعين ، دون معرفة ما سيحدث. "لم نكن متأكدين حقًا. يتذكر أنه كانت هناك أسباب للاعتقاد بأن هذا الشخص ربما ينجو من "Tangization".

نجا من ذلك. في النتائج التي تم نشرها لأول مرة كمطبوعة أولية في 2020 ونشرت في أكتوبر في كميةفريق Dunjko أظهرت أن بقاء TDA لم يكن صدفة. لإيجاد خوارزمية كلاسيكية يمكنها مواكبة الخوارزمية الكمومية ، "عليك أن تفعل شيئًا مختلفًا عن مجرد تطبيق [عملية] Ewin Tang بشكل أعمى على خوارزمية Seth Lloyd ،" قال كيد ، أحد مؤلفي الورقة البحثية.

لا نعرف على وجه اليقين أن الخوارزميات الكلاسيكية لا يمكنها اللحاق بـ TDA ، لكننا قد نصل إلى هناك قريبًا. قال "من بين الخطوات الأربع التي يتعين علينا القيام بها لإثبات ذلك ... ربما قمنا بثلاث خطوات" ماركوس كريشينو، عالم فيزياء نظرية في شركة QC Ware الناشئة. يأتي أفضل دليل حتى الآن من ورقة نشرها العام الماضي مع كيد تظهر أن حسابًا طوبولوجيًا مماثلًا لا يمكن حلها بكفاءة بواسطة أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية. يعمل Crichigno حاليًا على إثبات نفس النتيجة لـ TDA على وجه التحديد.

يشك Crichigno في أن مرونة TDA تشير إلى ارتباط متأصل - وغير متوقع تمامًا - بميكانيكا الكم. يأتي هذا الرابط من التناظر الفائق ، وهي نظرية في فيزياء الجسيمات تقترح تناظرًا عميقًا بين الجسيمات التي تتكون منها المادة وتلك التي تحمل القوى. اتضح ، كما أوضح الفيزيائي إد ويتن في الثمانينيات ، أن الأدوات الرياضية للطوبولوجيا يمكنها بسهولة وصف هذه الأنظمة فائقة التناظر. كان Crichigno مستوحى من أعمال ويتن قلب هذا الاتصال باستخدام التناظر الفائق لدراسة الطوبولوجيا.

"هذا جنون. قال دانجكو ، الذي لم يشارك في عمل كريشينو ، إنه حقًا ، حقًا ، اتصال غريب حقًا. "أصبت بالقشعريرة. حرفياً."

قد يكون هذا الاتصال الكمي المخفي هو ما يميز TDA عن البقية ، كما قال كيد ، الذي عمل مع Crichigno في هذا الشأن. قال: "هذه في جوهرها مشكلة ميكانيكية كمومية ، على الرغم من أنها لا تبدو كذلك".

ولكن بينما يظل TDA مثالاً على الميزة الكمية في الوقت الحالي ، إلا أن الأبحاث الحديثة من أمازون خدمات الويب، شراء مراجعات جوجل و مختبر لويدز في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا قلص إلى حد كبير السيناريوهات المحتملة التي تكون فيها الميزة أكثر وضوحًا. لكي تعمل الخوارزمية بشكل أسرع من التقنيات الكلاسيكية - الشريط المعتاد لميزة كمية - يجب أن يكون عدد الثقوب عالية الأبعاد كبيرًا بشكل لا يمكن تصوره ، بترتيب التريليونات. خلاف ذلك ، فإن تقنية التقريب للخوارزمية ببساطة ليست فعالة ، مما يمحو أي تحسين ذي مغزى على أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية.

قال كيد ، الذي لم يشارك في أي من الأوراق الثلاث ، إن هذه "مجموعة صعبة من الظروف التي يجب العثور عليها" في بيانات العالم الحقيقي. من الصعب أن نعرف على وجه اليقين ما إذا كانت هذه الظروف موجودة على الإطلاق ، لذلك في الوقت الحالي ، ليس لدينا سوى حدسنا ريان بابوش، أحد كبار المؤلفين في دراسة Google ، ولا يتوقع هو ولا كيد أن تكون هذه الشروط شائعة.

لا يعتقد تانغ ، وهو الآن طالب دكتوراه في جامعة واشنطن ، أن TDA هو التطبيق الكمي العملي الذي يبحث عنه المجال ، بالنظر إلى هذه القيود. قالت "أعتقد أن الحقل ككل قد أعيد تشكيله" للابتعاد عن البحث عن الخوارزميات. وتتوقع أن تكون أجهزة الكمبيوتر الكمومية مفيدة للغاية في التعرف على أنظمة الكم نفسها ، وليس لتحليل البيانات الكلاسيكية.

لكن الباحثين وراء العمل الأخير لا يرون أن TDA طريق مسدود. خلال اجتماع Zoom بين جميع فرق البحث بعد زيادة النسخ المسبقة الأخيرة ، قال Dunjko ، الذي عمل مع فريق Google ، "كان لدى كل فرد منا فكرة عما يجب فعله بعد ذلك". يأمل Crichigno ، على سبيل المثال ، أن يؤدي استجواب هذا الارتباط بين الطوبولوجيا وميكانيكا الكم إلى المزيد من المشاكل الكمية بشكل غير متوقع والتي قد تكون مناسبة بشكل خاص للحسابات الكمومية.

هناك دائمًا تهديد بنهج كلاسيكي جديد إبداعي يفعل ما لم يستطع تانغ ودانجكو ، وأخيراً إسقاط TDA. قال دنجكو: "لن أراهن على منزلي ، ولا سيارتي ، ولا قطتي" ، أن هذا لن يحدث. لكن القصة لم تمت. أعتقد أن هذا هو السبب الرئيسي لعدم قلقي على الإطلاق ".