کامپیوتر کوانتومی در راستا تجاری سازی - مجله سایه

به گزارش خبرنگاران به نقل از زومیت، محاسبات کوانتومی سال ها در انحصار دانشمندان و در شرایط آزمایشگاهی در حال توسعه بوده است؛ اما پیشرفت های جدید، این فناوری انقلابی را به سمت کاربردهای عملی سوق می دهد. دست آوردهایی از جمله سیستم خنک کننده قوی تر، تراشه های پیشرفته تر، افزایش ظرفیت پردازش، پیشرفت در فرایند تصحیح خطا و... یادآوری می کنند که شاید تا عمومی شدن این نوع کامپیوتر در صنایع و تجارت های خاص، کم تر از یک دهه فاصله داشته باشیم.

مبانی اصلی کامپیوتر کوانتومی به حدود چهار دهه پیش و نظریه ساخت کامپیوتری کلاسیک با برخی از اِلِمان های مکانیک کوانتوم، از طریق پائول بنی اُف (Paul Benioff) بازمی شود و در طی سال ها، افراد زیادی به تحقیق وتوسعه و نظریه پردازی در این باره پرداخته اند. بااین حال تاریخچه محاسبات کوانتومی شاید به کمتر از یک دهه برسد؛ اما در همین زمان کم، ایده و قدرتی انقلابی را نوید می دهد که می تواند پردازش های آینده را در کسری از ثانیه به انجام برساند. در حقیقت می توان گفت اختراع کامپیوتر کوانتومی جهشی بزرگ در توانایی پردازش الگوریتم های بسیار سخت و پیچیده محسوب می شود.

کامپیوترهای مبتنی بر کوانتوم در مقایسه با کامپیوترها و ابرکامپیوترهای سنتی، می توانند عملکرد پردازشی به مراتب سریع تر و دقیق تری ارائه بدهند. ایده اصلی کامپیوتر کوانتومی این است که می توان از خواص و قوانین فیزیک کوانتوم برای ذخیره سازی و پردازش داده استفاده کرد. این بهبود عملکرد از طریق توانایی داشتن بیش از دو حالت منطقی و انجام دستورالعمل های مختلف با استفاده از تمام جایگشت های ممکن در یک زمان واحد به دست می آید.

در اجلاس محاسبات کوانتومی (Q2B) که هفته گذشته برگزار شد، چند نفر از مهم ترین بازیگران صنعت کامپیوتر کوانتومی از جمله گوگل، IBM، هانی ول، IonQ و Xanadu به شرح نقشه راه خود تا سال 2024 برای بهبود پردازش کوانتومی پرداختند که باعث می شود ماشین های آن ها بیشتر به جهت عملیاتی و تجاری نزدیک شود. این دستاوردها شامل افزایش مقیاس پذیری، عملکرد و قابلیت اطمینان کامپیوتر کوانتومی است.

با استناد به پیش بینی جامعه آماری هایپریون، هزینه های بخش خصوصی برای محصولات و خدمات رایانش کوانتومی احتمالا در سال 2024 با جهشی سه برابری به 830 میلیون دلار خواهد رسید؛ این رقم در سال 2019 حدود 250 میلیون برآورد شده بود. سنت لوید، استاد MIT و یکی از کلیدی ترین افراد در پیش برد این صنعت، درباره پتانسیل پردازش های کوانتومی می گوید:

ما در اوایل دوره صنعتی محاسبات کوانتومی هستیم. پیشرفت های بزرگ حاصل از این صنعت را می توان با استفاده اولیه از موتور بخار برای تأمین نیرو در کارخانه ها، کشتی ها و قطارها مقایسه کرد.

در محاسبات کوانتومی فرایندی موسوم به تصحیح خطا پیشرفتی بسیار مهم و حیاتی محسوب می شود؛ زیرا کوچک ترین اختلال و خطا در فرایند محاسبات، می تواند کل محاسبات را از بین ببرد. به زبان ساده، تصحیح خطا این امکان را برای کامپیوتر کوانتومی فراهم می کند که محاسبات پایدارتری انجام دهند. این پیشرفت از طریق غلبه بر یک محدودیت اساسی کیوبیت (عنصر اساسی ذخیره و پردازش داده در رایانش کوانتومی) حاصل می شود. در حقیقت این فرایند برای محافظت از اطلاعات کوانتومی در برابر خطاهای ناشی از عدم انسجام و سایر نویزهای کوانتومی استفاده می شود.

تصحیح خطای کوانتومی برای دستیابی به محاسبات کوانتومیِ مقاوم در برابر خطا ضروری است و می تواند نه تنها با نویز موجود در اطلاعات کوانتومی ذخیره شده، بلکه با دروازه های کوانتومی و آماده سازی و اندازه گیری های معیوب مقابله کند. به عبارتی دیگر، به دلیل اینکه ایزوله کردن حقیقی سیستم های کوانتومی بسیار سخت و سخت است، سیستم های تصحیح خطای محاسبات کوانتومی ایجاد شده اند. کیوبیت ها، بیت دیجیتال داده نیستند؛ ازاین رو نمی توان از روش های متداول تصحیح خطا، از جمله روش افزونگی سه گانه استفاده کرد.

کیوبیت ها به راحتی از طریق نیروهای خارجی آشفته و با اختلال روبه رو می شوند؛ اما فرایند تصحیح خطا برای غلبه بر ظرافت کیوبیت های فردی طراحی شده است. این فرایند به ماشین آلات بزرگ تر با تعداد بیشتری کیوبیت نیاز دارد و سازندگان کامپیوتر کوانتومی با سرعت در حال پیشرفت در این زمینه هستند. اگر سازندگان کامپیوتر کوانتومی پیروز به افزایش تعداد کیوبیت ها شوند، تصحیح خطا می تواند به صنعت کمک کند تا وعده بهبود چشمگیر عملکرد پردازش برای برخی از مسائل مهم را تحقق بخشد.

اکنون تمامی صاحب نظران این صنعت بر این باورند که کامپیوتر کوانتومی، با توجه به مسائل ساخت و هزینه های هنگفت، به زودی جایگزین کامپیوتر کلاسیک نخواهد شد؛ اما اعتقاد بر این است که می تواند برای طراحی صفحات خورشیدی جدید، کاهش مصرف سوخت هواپیما، سرعت و دقت هوش مصنوعی، بهبود سرمایه گذاری مالی و کاهش هزینه های تحویل، از مرزها و استانداردهای کنونی فراتر برود.

کامپیوترهای کنونی اطلاعات را به صورت بیتِ یک یا صفر (روشن/خاموش) ذخیره می کنند و محاسبات را با استفاده از اجزای کوچک پردازش الکترونیکی داده موسوم به ترانزیستور انجام می دهند. در مقابل، کامپیوترهای کوانتومی با تکیه بر کیوبیت ها می توانند ترکیبی از یک و صفر را به لطف پدیده فیزیک کوانتومی برهم نهی، به صورت هم زمان ذخیره کنند. افزون براین، کیوبیت ها می توانند با درهم تنیدگی (یکی دیگر از پدیده های فیزیک کوانتوم) با یکدیگر پیوند ایجاد کنند.

به صورت کلی، محاسبات کوانتومی شامل مجموعه ای از دستکاری ها در حالت های کیوبیت می شود که به آن گیت منطقی کوانتومی و به دنباله ای از گیت ها، مدار کوانتومی می گویند. افزایش دستکاری های گیت، این امکان را فراهم می کند که مدار عمیق تر شود و توانایی محاسبات کوانتومی پیچیده تر به ارمغان می آورد. افزایش تعداد کیوبیت ها مقیاس رایانش قابل انجام را هم به طور تصاعدی افزایش می دهد. افزودن یک کیوبیت، واحد مقیاس محاسبه ممکن را دو برابر می کند. حال تصور کنید که اضافه کردن دو کیوبیت چهارگانه و... مقیاس محاسبه را چقدر افزایش می دهد.

در حال حاضر محققان کوانتوم فقط از تعداد کمی کیوبیت (بیت کوانتومی) بهره می گیرند که با استفاده از سیستم های کوچک تر و با طراحی سفارشی، با مکانیسم های پیچیده کنترل و اتصال احاطه شده اند. کاربرد محاسبات کوانتومی برای رفع مسائل دنیای واقعی، قبل از هر چیز به توانایی مقیاس پذیری و کنترل هم زمان هزاران کیوبیت، با هماهنگی بسیار بستگی دارد. افزایش تعداد کیوبیت باعث ایجاد موارد دیگری می شود که ظرفیت و عملکرد سیستم کوانتومی را به چالش می کشند. یکی از این تأثیرات بالقوه می تواند کاهش هماهنگی و عملکرد کیوبیت ها باشد؛ اما شرکت هایی مانند اینتل پیشرفت های بسکمک در این زمینه ایجاد کرده اند.

این پیشرفت ها دانشمندان صنعت یادشده را به هیجان می آورد. کامپیوترهای امروزی دارای چند دَه کیوبیت هستند؛ اما سالیان آینده این ماشین های پیشرفته این پتانسیل را خواهند داشت که هزاران و سپس میلیون ها کیوبیت را در بطن خود جای دهند. سازندگان کامپیوتر کوانتومی در حال کار روی روش های مختلف برای ساخت کیوبیت پایدارتر به منظور ایجاد پایه کوانتومی محکم تر برای کیوبیت ها و نحوه اتصال آن ها هستند تا اختلال احتمالی در محاسبات را از گردونه خارج کنند. در جایی که سازندگان تراشه های سیلیکونی مرسوم در یک روش تولید خاص مستقر و محدود شده اند، سازندگان کامپیوتر کوانتومی پیوسته در حال جستجوی امکانات مختلف برای کیوبیت ها هستند.

گوگل و IBM از مدارهای ابررسانا استفاده می کنند که تقریبا در صفر مطلق خنک می شوند. از طرف دیگر هانی ول طراحی تله یونی کیوبیت ها را از اتم های ایتربیم مجهز به بار الکتریکی تولید می کند. کیوبیت های اینتل الکترون های منفردی هستند که توسط ویژگی مکانیکی کوانتومی چرخش از دیگران متمایز می شوند و Xanadu برای کیوبیت هایش از فوتون بهره می گیرد و پردازنده های کوانتومی آن در دمای اتاق کار می کنند.

ایجاد یک پایه کوانتومی قوی بسیار مفید خواهد بود؛ اما تصحیح خطا هنوز به عنوان راهی برای غلبه بر مسائل پیش روی کیوبیت ها ضروری است. ایده اصلی برای تصحیح خطا، جفت کردن چندین کوبیت با هم در یک کیوبیت منطقی است. کیوبیت منطقی، یک کیوبیت فیزیکی یا انتزاعی است که با توجه به الگوریتم های کوانتوم یا مدار کوانتومی معین شده عمل می کند و بسته به تبدیل واحد، از زمان انسجام کافی برخوردار است تا توسط گیت های منطقی کوانتوم قابل استفاده باشد.

یک کیوبیت منطقی می تواند به هزار کیوبیت فیزیکی نیاز داشته باشد. برای مثال، محاسبات کوانتومی مهم از جمله الگوریتم های Shor که برای شکستن رمزگذاری کنونی استفاده می شود، به هزاران کیوبیت منطقی نیاز دارد. کریس مونرو، دانشمند ارشد و بنیان گذار مؤسسه IonQ، در جریان رویداد Q2B گفت امیدوار است رویکرد ابداعی آن ها فقط به 13 کیوبیت فیزیکی برای یک کیوبیت منطقی نیاز داشته باشد و به نظر می رسد که رویکرد و نظریه این مؤسسه در حال حرکت به سمت عملی شدن است.

اریک لوسرو که سرویس محاسبات کوانتومی گوگل را اداره می کند، کیوبیت های منطقی را کیوبیت های تمام عیار و همیشگی می نامد. او ادعا می کند که گوگل به فناوری کیوبیت منطقی دست یافته است و اولین کیوبیت منطقی را در سال 2023 تولید خواهد کرد و تا سرانجام دهه (2030) به هزار عدد از آن ها دست خواهد یافت.

با استناد به نقشه راه IBM، این شرکت در نظر دارد تراشه Eagle مجهز به 127 کیوبیت را در سال آینده میلادی و پردازنده Osprey با 433 کیوبیت را در سال 2022 آماده استفاده کند. این در حالی است که قوی ترین کامپیوتر کوانتومی آن ها موسوم به Hummingbird در حال حاضر از 65 کیوبیت بهره می گیرد. گفته می شود شرکت یادشده در سال 2023 تراشه کُندور (Condor) را عملیاتی می کند که در بطن خود 1112 کیوبیت جای داده است و نقطه عطفی در مفیدتر کردن الگوریتم های محاسبات کوانتومی محسوب می شود.

زانکاردو ورنون، رئیس سخت افزار شرکت Xanadu اعلام کرده است که آن ها در حال حاضر از تراشه 24 کیوبیتی بهره می گیرند؛ اما انتظار می رود امسال یک تراشه 40 کیوبیتی آن ها را در رقابت پردازش کوانتومی همراهی کند. وی پیش بینی می کند که تعداد کیوبیت باید هر شش تا دوازده ماه دو برابر شود.

محققان مراقب اند که از وعده های پیشرفت چشم پوشی نکنند؛ اما کامپیوتر کوانتومی می تواند قبل از ورود به فرایند تصحیح خطا نیز مفید باشد. به عنوان مثال، امروزه مشتریان کوانتومی IBM را دَه ها شرکت از جمله بوئینگ، جی. پی. مورگان، دایملر، دلتا و... تشکیل داده اند. برخی از این مشتریان علاقه مند به طراحی مواد درشت مولکول هستند که در واقع یکی از اولین ایده های ریچارد فاینمن در رابطه با کارایی کامپیوتر کوانتومی است.

با استفاده از پردازش کوانتومی می توان امید داشت که در سال های آینده، به پیروزیت هایی از جمله پنل خورشیدی کارآمدتر، باتری با ظرفیت بیشتر یا تولید کود با انرژی کم دست یافت. مارک فیشر، معاون ارشد فیزیک پرواز شرکت ایرباس، در اجلاس محاسبات کوانتومی اظهار داشت که غول هوافضای اروپایی برنامه گسترده ای برای بهره گیری از پردازش های کوانتومی دارد. او می گوید:

ما در حال تحقیق و بررسی محاسبات کوانتومی برای بهبود آیرودینامیک هواپیما، صرفه جویی در مصرف سوخت در هنگام صعود، بارگیری سریع تر هواپیماها و طراحی بال با فاکتورهایی هستیم که با استفاده از کامپیوتر کلاسیک قابل محاسبه نیستند.

هانی ول دیگر بازیگر مهم این صنعت، استفاده از محاسبات کوانتومی را برای مشاغل شخصی مانند طراحی شیمیایی و اتوماسیون انبار و بخش هوافضا در نظر گرفته است. اریک اشمیت به عنوان مدیر و رئیس اجرایی اسبق گوگل، یکی دیگر از سرشناس ترین افرادی است که در این رویداد به اظهارنظر پرداخته و برنامه محاسبات کوانتومی بلندمدت گوگل را تأیید کرده است. او سال گذشته با آزمایشی نشان داد که کامپیوتر کوانتومی می تواند حداقل برای یک کار سخت محاسباتی محدود (البته نه عملی)، به راحتی از کامپیوتر کلاسیک پیشی بگیرد. اشمیت می گوید:

ما می دانیم که این موارد شش تا هشت سال دیگر اتفاق خواهد افتاد؛ اما وقتی اتفاق بیافتد باورنکردنی خواهد بود.

با این اوصاف غول های تکنولوژی مانند اینتل و IBM و گوگل و... برای دستیابی به برتری کوانتومی، به سختی در حال رقابت هستند؛ زیرا بر این باورند که این فناوری آینده صنعت را شکل خواهد داد و شواهد نشان می دهد که سال های آینده اخبار زیادی از تجاری سازی این فناوری بسیار مهم منتشر خواهد شد.