خوارزمية كوانتمية DQI تُسرع حل المشكلات المعقدة

في العالم المثير لعلوم الحاسوب، حل المشكلات المعقدة هو رحلة مستمرة، غالبًا ما تُشبه بتسلق قمم جبلية صعبة. السباق بين الباحثين الذين يستخدمون الطرق الكلاسيكية وأولئك الذين يستكشفون الإمكانيات الكمومية مكثف ومليء بالتقلبات. كثيرًا ما يحدث، عند إعلان أي تقدم كمومي، أن المجتمع الكلاسيكي يبحث بسرعة عن طريقة لمعادلة هذه الأداء أو تجاوزه. إنها منافسة تقنية تدفع الابتكار إلى الأمام.

التنافس الأبدي: الكلاسيكي مقابل الكمومي

لفترة طويلة، أدى هذا التنافس إلى تعادلات افتراضية. غالبًا ما كانت الخوارزميات الكمومية التي تعد بسرعة فائقة تتبعها سريعًا طرق كلاسيكية جديدة تحقق نتائج مماثلة. رأيت مؤخرًا مثالًا على ذلك: مقال عن مكسب سرعة كمومية مزعوم نُشر في مجلة Science قوبل بشكوك فورية من مجموعتين مختلفتين أظهرتا كيف يمكن إجراء حسابات مماثلة على الحواسيب الكلاسيكية. تظهر هذه الديناميكية مدى صلابة وابتكار الخوارزميات الكلاسيكية التي تطورت على مدار عقود.

مع ذلك، يبدو أن تطورًا حديثًا قد كسر هذا النمط، على الأقل في الوقت الحالي. مقال نُشر على موقع المنشورات العلمية الأولية arxiv.org وصف ما يبدو أنه مكسب سرعة كمومي مقنع، والأهم من ذلك، مفيد. هذا الخوارزم الجديد، المعروف باسم “التداخل الكمومي المفكك” (DQI)، أظهر سرعة تفوق جميع الخوارزميات الكلاسيكية المعروفة في البحث عن حلول جيدة لفئة واسعة من مشكلات التحسين. إنه لحظة مثيرة في هذا المجال.

ما الذي يجعل DQI تقدمًا مهمًا؟

يتميز DQI لأنه يتعامل مع مشكلات تحسين معروفة بصعوبتها الكبيرة للحواسيب الكلاسيكية. تتعلق مشكلات التحسين بإيجاد أفضل حل من بين عدد هائل من الخيارات المحتملة. فكر في مجال اللوجستيات، مثل تحديد الطريق الأكثر كفاءة لشاحنة توصيل تزور عدة مدن، أو كيفية تعبئة العناصر بأفضل طريقة ممكنة. ومع زيادة حجم المشكلة، يزداد عدد الحلول المحتملة بشكل هائل، ما يجعل الطرق الكلاسيكية التي غالبًا ما تستعرض الخيارات بذكاء غير مجدية بسرعة.

المشكلة المحددة التي يتعامل معها DQI هي إيجاد دالة رياضية (متعدد حدود منخفض التعقيد) تمر بأكبر عدد ممكن من النقاط في مجموعة معينة. تظهر تباينات هذا التحدي في مجالات متعددة من علوم الحاسوب، مثل إنشاء الأكواد البرمجية، تصحيح الأخطاء، والتشفير. جمال منهج DQI يكمن في أن مُنشئيه أدركوا أن العثور على “الخط المتموج” المثالي يشابه عملية فك تشفير رسالة مشوشة واقترابها من معناها الصحيح. هذه الصلة غير المتوقعة مع نظرية فك التشفير كانت حاسمة.

الرحلة غير المتوقعة خلف DQI

من المثير للدهشة أن تطوير DQI لم يبدأ بهدف حل مشكلة التحسين مباشرة. يروي ستيفن جوردان، فيزيائي لدى Google Quantum AI وأحد المهندسين الرئيسيين لـ DQI، أن الاكتشاف جاء عبر طريق «متعرج». انضم جوردان إلى جوجل في عام ٢٠٢٣ للعمل مع إيدي فارهي، رائد في الخوارزميات الكمومية. بينما كان فارهي يستكشف التحسين عبر مفهوم الطاقة (حيث تمثل الطاقات المنخفضة حلولًا أفضل)، اتجه جوردان لنهج مختلف يركز على الطبيعة الموجية للفيزياء الكمومية.

باستخدام تحويل فورييه الكمومي، وهي أداة رياضية قوية، وجد جوردان طريقة لترجمة الحلول الممكنة لفئة من مشكلات التحسين إلى موجات كمومية. اكتشف أنه يمكنه التحكم بالنظام الكمومي بحيث تتوافق الموجات الأكبر (ذات السعات الأعلى) مع الحلول الأفضل. العقبة الكبرى كانت كيفية تحديد هذه السعات الأكبر في نظام كمومي معقد. جاءت الحلول بشكل مفاجئ: كانت عملية اختيار الحلول الأمثل تشابه تصحيح الأخطاء في الرسائل المشفرة، وهو مجال راسخ في علوم الحاسوب يعرف بـ “فك التشفير”.

سمح هذا الاكتشاف لجوردان ونواه شوتي، أيضًا من جوجل، باستكشاف تقنيات فك التشفير لتطوير الخوارزمية. بعد العديد من الاختبارات والمحاولات الفاشلة مقابل الخوارزميات الكلاسيكية، وجدوا أخيرًا منهجًا لفك التشفير، تم تقديمه في الستينيات لتصحيح الأخطاء الفردية، يعمل بشكل مثالي مع مشكلة التحسين المختارة. قال جوردان عن لحظة التقدم: «يبدو أننا نجحنا تقريبًا فورًا». جاء التأكيد من خبراء مثل ماري ووتيرز، التي أكدت أنه لا توجد خوارزميات كلاسيكية معروفة قادرة على منافسة سرعة DQI في هذه المشكلة بالذات. هذه خطوة مهمة في الحوسبة الكمومية.

التحديات وآفاق DQI

بالرغم من الحماس، لا يزال DQI يواجه تحديات عملية. يعترف جوردان بأن الخوارزمية، في شكلها الحالي، لا يمكن تشغيلها على الحواسيب الكمومية المتاحة اليوم بسبب تعقيدها ومتطلبات الأجهزة. التكنولوجيا الكمومية لا تزال في مرحلة التطوير، وبناء آلات قادرة على تنفيذ خوارزميات معقدة مثل DQI على نطاق واسع هو تحدٍ هندسي هائل. بالإضافة إلى ذلك، يواصل مجتمع الخوارزميات الكلاسيكية بحثه الذي لا يكل. كما أشارت إدوين تانغ، المعروفة بابتكار خوارزميات كلاسيكية تنافس الكمومية، فإن هذا التقدم الكمومي هو دعوة للباحثين الكلاسيكيين لاستكشاف اتجاهات جديدة. المنافسة الصحية تحفز كلا المجالين.

لكن البحث لا يتوقف. منذ النشر الأولي في أغسطس الماضي، وسّع الباحثون بالفعل تطبيق DQI إلى فئة أوسع من مشكلات التحسين، بما في ذلك تباينات تحديات “أفضل مسار”. يعتقد جوردان أن DQI سيحتفظ بميزات تفوقه في هذه السيناريوهات الجديدة أيضًا. يحتفل المجتمع الكمومي بكل خوارزمية جديدة تثبت وجود تفوق واضح على الطرق الكلاسيكية، نظرًا لأن هذه الخوارزميات نادرة نسبيًا وتضيء الطريق نحو الإمكانات الحقيقية للحوسبة الكمومية.

مقارنة مبسطة: الكلاسيكي مقابل الكمومي (DQI)

التطبيقات المحتملة للتحسين الكمومي

• اللوجستيات وسلاسل التوريد (توجيه أساطيل المركبات)
• المالية (تحسين المحافظ الاستثمارية)
• اكتشاف الأدوية (المحاكاة الجزيئية)
• الذكاء الاصطناعي (تدريب النماذج)
• علوم المواد (تصميم مواد جديدة)
• التشفير (كسر أو إنشاء الشفرات)
• تحسين شبكات الاتصالات

أسئلة شائعة حول DQI والخوارزميات الكمومية

1. ما هي “الميزة الكمومية” أو “التسريع الكمومي”؟ هي الحالة التي يحل فيها خوارزم كمومي مشكلة بسرعة أكبر بكثير من أي خوارزم كلاسيكي معروف أو نظريًا ممكن لنفس المشكلة.
2. هل يُستخدم DQI عمليًا الآن؟ لا، الخوارزم DQI، كما وُصف، يحتاج إلى حواسيب كمومية واسعة النطاق غير موجودة حاليًا. هو تقدم نظري مهم يشير إلى الإمكانيات المستقبلية.
3. كيف يستخدم DQI “فك التشفير”؟ يترجم مشكلة التحسين إلى نظام كمومي، وللعثور على أفضل الحلول، يستخدم تقنيات رياضية مشابهة لتلك المستخدمة في تحديد وتصحيح الأخطاء في الرسائل المشفرة.
4. هل ستصبح جميع مشكلات التحسين أسرع باستخدام الحواسيب الكمومية؟ ليس بالضرورة. تسعى الأبحاث الكمومية لتحديد فئات معينة من المشكلات حيث يمكن للحوسبة الكمومية تقديم ميزة حقيقية على أفضل الطرق الكلاسيكية.
5. ما هو “مشكلة تحسين”؟ هي أي مشكلة تبحث عن أفضل نتيجة (مثل أقصى ربح، أقل تكلفة، أقصر مسار، إلخ) ضمن مجموعة كبيرة من الخيارات الممكنة، مع وجود قيود معينة.

من وجهة نظري، ظهور DQI هو تذكير جديد بالإمكانات الرائعة التي تحملها الحوسبة الكمومية. على الرغم من أننا ما زلنا بعيدين عن امتلاك آلات قادرة على استغلال هذه الإمكانات بالكامل، فإن كل خوارزمية جديدة مثل DQI تؤكد القيمة البحثية في هذا المجال وتعطينا لمحات عن مستقبل قد تُحل فيه المشكلات التي كانت اليوم شبه مستحيلة بكفاءة. ستظل التعاون والمنافسة بين النُهُج الكلاسيكية والكمومية محركًا لهذه التطورات.

ما رأيك في هذا السباق بين الخوارزميات الكلاسيكية والكمومية؟ شاركنا تعليقك أدناه!