بررسی و مقایسه پنج شبیه ساز پرکاربرد محاسبات کوانتومی
شبیه ساز کوانتومی ابزاری است که رفتار سیستمهای کوانتومی را در محیطهای کلاسیک شبیه سازی میکند. این ابزارها به پژوهشگران امکان میدهند تا بدون دسترسی به رایانههای کوانتومی واقعی، الگوریتمها و پدیدههای کوانتومی را بررسی و آزمایش کنند. در این متن با پنج مورد از مهمترین شبیه سازهای کوانتومی شامل شبیه ساز آنالوگ، شبکه تانسوری، IBM ،BlueQubit و AWS Braket آشنا میشویم.
شبیه ساز رایانش کوانتومی چیست؟
برای شبیه سازی رفتار سیستمهای کوانتومی، دانشمندان ابزارهایی را ساختهاند که به آنها شبیه ساز محاسبات کوانتومی میگویند. این ابزارها به دانشمندان و پژوهشگران این امکان را میدهند تا بدون داشتن رایانه کوانتومی نیز بتوانند الگوریتمهای کوانتومی را بررسی کنند و به تحقیقات خود بدون مشکل بپردازند. در طی سالها، انواع مختلفی از شبیه سازهای کوانتومی معرفی شدهاند.
آشنایی با 5 شبیه ساز کوانتومی
در اینجا با 5 مورد از بهترین شبیه سازهای کوانتومی دنیا آشنا میشویم.
شبیه ساز کوانتومی آنالوگ
سیستمهای فیزیکی مثل اتمهای سرد، فوتونها، یونها و… در شبیه ساز آنالوگ استفاده میشوند تا برهم کنشهای کوانتومی بتوانند باز آفرینی شوند. این سیستم بسیار تخصصی است و برای پژوهشهایی مانند مطالعه سیستمهای چند جسمی، پدیدههای فیزیکی و… مناسب است.
از چالشهای شبیه ساز آنالوگ میتوان به مواردی اشاره داشت، مثل:
- این شبیه سازها انواع مشخصی از سیستمهای کوانتومی را میتوانند شبیه سازی کنند. این موضوع بر روی انعطاف پذیری و مقیاس پذیری آنها تاثیر میگذارد و کنترل این شبیه سازها را سختتر میکند.
- ایجاد تغییرات کوچک در پارامترها، ممکن است باعث ایجاد خروجی نادرست شود. از طرفی وجود نویز باعث مختل شدن حالات ظریف کوانتومی میشود.
شبیه ساز شبکه تانسوری
شبیه ساز Tensor همان طور که از نامش پیدا است، از شبکه تانسوری برای انجام و نمایش خروجی حالات کوانتومی استفاده میکند. این شبیه ساز در علومی مثل شیمی کوانتومی و علم مواد عملکرد و کاربرد بسیار خوبی دارد، همچنین در مواردی مثل سیستمهای کوانتومی چند جسمی، مطالعه میزان درهم تنیدگی، ماده چگال و… عملکرد خوبی دارد.
از چالشهای شبیه ساز تانسوری میتوان به مواردی اشاره داشت، مثل:
- مشکل این سیستم شبیه ساز را میتوان در مواجه با درهم تنیدگی بالا و سیستمهای پیچیده دانست. همچنین در کنار عملکرد پایین در مواجه با این مسائل، هزینه نیز افزایش مییابد.
- در حوزههایی مانند رمزنگاری و شیمی کوانتومی پیچیده عملکرد ضعیفی دارد.
شبیه ساز کوانتومی IBM
شبیه ساز کوانتومی IBM، رایگان است. شاید بتوان مهمترین و مثبتترین ویژگی این شبیه ساز را همین موضوع دانست، چرا که IBM بسیار برای آموزش مناسب است. اکثر پژوهشگرانی که در حال آموزش هستند و نمیخواهند هزینه زیادی برای شبیه ساز کوانتومی بکنند، از شبیه ساز IBM استفاده میکنند.
از چالشهای شبیه ساز IBM میتوان به مواردی اشاره داشت، مثل:
- این شبیه ساز سرعت پایینی در انجام وظایف دارد و صفهای طولانی آن، این کندی را دوچندان کرده است.
- برای پژوهشگرانی که محاسبات پیچیده دارند و زمان برای آنها اهمیت دارد، IBM گزینه مناسبی نیست.
شبیه ساز کوانتومی BlueQubit
BlueQubit دارای دو نسخه CPU و GPU رایگان است. این شبیه ساز سرعت بالایی هم دارد چون از نرم افزار و ابزارهایی مثل qsim گوگل و cuQuantum انویدیا بهره میبرد. با این ویژگیها و قابلیتها شبیه ساز BlueQubit، برای کاربردهای پیچیده و مدارهای کوانتومی بزرگ بسیار مناسب است.
از چالشهای شبیه ساز BlueQubit میتوان به مواردی اشاره داشت، مثل:
- در نسخه رایگان این شبیه ساز، شبیه ساز CPU تا ۳۴ کیوبیت و GPU تا ۳۶ کیوبیت را پشتیبانی میکند. اگر شبیه سازی و مدار کوانتومی پیچیدهتر باشد، باید برای آن هزینه کرد.
- شبیه سازهای BlueQubit، نمیتوانند نویز و خطاهای واقعی QPUs را به طور کامل بازسازی کنند، که منجر به نتایج نادرست میشود.
شبیه ساز کوانتومی AWS Braket
شبیه ساز AWS Braket، از قدرت و سرعت بالایی برای انجام محاسبات کوانتومی برخوردار است. شبیه ساز ابری آمازون، امکان دسترسی به پردازندههای کوانتومی از ارائه دهندگان مختلف را به کاربران میدهد که این موضوع اجازه تست الگوریتمها و محاسبات کوانتومی با تکنولوژیهای مختلف را فراهم میکند.
از چالشهای شبیه ساز AWS Braket میتوان به مواردی اشاره داشت، مثل:
- این شبیه ساز رایگان نیست و برای افراد و پژوهشگرانی که میخواهند برای قدرت و سرعت بالا هزینه کنند، مناسب است.
- در شبیه ساز AWS Braket، سخت افزارها ممکن است دچار مشکل شوند، چرا که نویزدار و خطا دار هستند.
| شبیه ساز | نوع / مدل | کاربرد اصلی | بهترین حوزه استفاده | نقطه قوت کلیدی | محدودیت مهم | مناسب برای |
|---|---|---|---|---|---|---|
| آنالوگ | مبتنی بر سیستمهای فیزیکی واقعی | باز آفرینی برهم کنشهای کوانتومی | فیزیک چند جسمی، پژوهشهای تخصصی | شبیه سازی نزدیک به واقعیت | عدم انعطاف، حساسیت بالا به نویز | محققان فیزیک |
| شبکه تانسوری | مدل سازی ریاضی و نرم افزاری | شبیهسازی سیستمهای چند جسمی | شیمی کوانتومی، ماده چگال | کارآمد در در هم تنیدگی کم | عملکرد ضعیف در سیستمهای پیچیده | پژوهشهای محاسباتی |
| IBM | شبیهساز رایانشی ابری | آموزش و تست الگوریتمها | آموزش، پروژههای مقدماتی | رایگان و در دسترس | سرعت پایین و صف طولانی | دانشجویان و مبتدیها |
| BlueQubit | شبیهساز رایانشی ابری | شبیه سازی مدارهای بزرگ | مدارهای پیچیده و پرکیوبیت | سرعت بسیار بالا | محدودیت کیوبیت در نسخه رایگان | کاربران نیمه حرفهای |
| AWS Braket | زیر ساخت ابری + دسترسی به QPU واقعی | اجرای الگوریتم روی دستگاههای مختلف | پروژههای جدی و صنعتی | قدرت پردازشی بالا | هزینه بر، وجود نویز سخت افزار واقعی | پژوهشگران حرفهای |
کلام آخر
میتوان گفت که هر یک از شبیه سازهای کوانتومی، ویژگیها و محدودیتهای خاص خود را دارند و انتخاب مناسبترین شبیه ساز به نوع کاربرد، منابع محاسباتی در دسترس و نیازهای پژوهش بستگی دارد. شبیه سازهای آنالوگ و شبکه تانسوری برای بررسی سیستمهای خاص و پدیدههای کوانتومی پیچیده مناسب هستند، در حالی که شبیه سازهای IBM و BlueQubit به دلیل دسترسی رایگان و قابلیت اجرای محلی، گزینههای مناسبی برای آموزش و محاسبات متوسط محسوب میشوند. شبیه ساز AWS Braket نیز با ارائه قدرت محاسباتی بالا و دسترسی به منابع ابری، برای پروژههای بزرگ و پیچیده که نیاز به سرعت و مقیاس پذیری بیشتری دارند، مناسب است. در نهایت، پژوهشگران باید با توجه به مقیاس محاسبات، محدودیتهای مالی و نوع مسئله مورد نظر، شبیه ساز مناسب را انتخاب کنند.
سوالات متداول
شبیه ساز IBM به دلیل رایگان بودن و دسترسی آسان از طریق وب، برای مبتدیان و اهداف آموزشی مناسبترین گزینه است.
شبیه سازهای محلی روی سخت افزار کاربر اجرا میشوند و نیاز به منابع محاسباتی محلی دارند، در حالی که شبیه سازهای ابری مانند AWS Braket محاسبات را در سرورهای دور انجام میدهند و نیازی به سخت افزار قدرتمند محلی ندارند.
منابع
- https://www.bluequbit.io/blog/quantum-computing-simulators
- https://thequantuminsider.com/2022/06/14/top-63-quantum-computer-simulators/
اولین دیدگاه را اضافه کنید.