چه زماني كامپيوترهاي كوانتومي بر كامپيوترهاي معمولي برتري پيدا مي‌كنند؟

بالاخره روزي خواهد رسيد كه كامپيوترهاي كوانتومي مسائل دشوار كامپيوترهاي معمولي را به‌راحتي حل خواهند كرد. دانشمندان و شركت‌ها به‌سوي هدف موسوم به برتري كوانتومي، به رقابت با يكديگر مي‌پردازند. اين هدف امروز تقريبا دور از دسترس به انديشه متخصصين مي‌رسد و با خواندن داستان رايانش كوانتومي از خود مي‌پرسيد چرا دنيا هنوز نتوانسته است به اين هدف برسد.

در پاسخ به اين سؤال مي‌توان گفت، كنترل خواص كوانتومي ذرات دشوار است. حتي اگر بتوان از خواص كوانتومي براي محاسبه استفاده كرد، استفاده از اصطلاح برتري كوانتومي كار اشتباهي است. اولين اثبات برتري كوانتومي، مسئله‌ي ساختگي و غيركاربردي است.

بااين‌حال، وقتي مباحثه ارزيابي دستگاه‌ها و عملكرد آن‌ها مطرح مي‌شود، اهميت برتري كوانتومي افزايش پيدا مي‌كند؛ اما چه عاملي مانع از رسيدن به اين هدف شده است؟ جان پرسكيل، استاد فيزيك انديشه متخصصيني مؤسسه‌ي فناوري كاليفرنيا كه براي اولين‌بار از اصطلاح «برتري كوانتومي» استفاده كرد، مي‌گويد:

ما در حال ورود به دنيايي هستيم كه در آن‌ كارهايي را با دستگاه‌هاي كوانتومي انجام مي‌دهيم كه قبلا انجام آن‌ها با دستگاه‌هاي عادي امكان‌پذير نبودند. ما در مرحله‌اي مؤثر قرار داريم.

اما قبل از هر چيز بايد به اين سؤال پاسخ داد كه كامپيوتر كوانتومي چيست يا اساسا كامپيوتر چيست. كامپيوترها دستگاه‌هايي هستند كه داده‌ها را خلاصه‌سازي مي‌كنند، آن‌ها را به‌عنوان ورودي ذخيره مي‌كنند، سپس ازطريق سيستمي از دستورالعمل‌ها و الگوريتم‌هاي رياضي آن‌ها را تغيير داده و دستكاري مي‌كنند.

در حالت عادي داده‌ها به‌صورت بيت‌هاي قابل دستكاري يا دستگاه‌هاي فيزيكي دوگزينه‌اي (باينري) ذخيره مي‌شوند و سيستمي از اين بيت‌ها مي‌توانند خروجي دلخواه را توليد كنند. در كامپيوترهاي كوانتومي، الگوريتم‌ها روي يك معماري متفاوت نگاشته مي‌شود؛ در كامپيوتر كوانتومي به‌جاي بيت، دستگاه‌هايي دوگزينه‌اي به نام كيوبيت وجود دارند كه تابع قوانين عجيب مكانيك كوانتوم هستند.

اين فرايند ممكن است منجر به تداخل شود؛ يعني پيشامد (احتمال ظاهر شدن) وجوه مشخصي از تاس بيشتر و پيشامد وجه‌هاي ديگر كمتر باشد. در رايانش كوانتومي گيت‌هايي بر تاس‌ها اعمال مي‌شود. منظور از گيت‌ها پالس‌هاي انرژي است كه بر موقعيت وزن داخل تاس تأثير مي‌گذارند و پيشامد آن‌ها را تغيير مي‌دهند. نمونه‌هاي متخصصدي شامل نگاشت بخشي از اطلاعات روي هر وجه هستند، چنين فرآيندي براي رسيدن به نتيجه‌هاي جذاب به تعداد زيادي چرخش تاس نياز دارد.

دانشمندان و شركت‌هاي فناوري با توسعه‌ي كامپيوترهاي كوانتومي هم به‌دنبال منافع علمي خود ازجمله اجراي آزمايش‌‌هاي علمي هستند هم مي‌خواهند بر هوش مصنوعي، امنيت سايبري و بهداشت و درمان تأثير بگذارند. الگوريتم‌هايي وجود دارند كه عملكرد آن‌ها روي كامپيوترهاي كوانتومي سريع‌تر از كامپيوترهاي كلاسيك است. مهم‌ترين آن‌ها الگوريتم شور (Shor) است كه عمل فاكتورگيري (ضريب مشترك) را بسيار سريع‌تر از كامپيوترهاي كلاسيك اجرا مي‌كند.

در رمزنگاري‌هاي امروزي، كامپيوترهاي كلاسيك به‌راحتي مي‌توانند دو عدد بزرگ را با سرعت بالايي در يكديگر ضرب كنند اما معكوس كردن اين فرايند يعني دستيابي به عامل مشترك بسيار زمان‌بر خواهد بود. اينجا است كه رايانش كوانتومي اهميت پيدا مي‌كنند. كامپيوتري كه بتواند الگوريتم شور را اجرا كند، استراتژي رمزنگاري را غيرايمن مي‌سازد. گروهي ديگر هم به متخصصد كامپيوترهاي كوانتومي در هوش مصنوعي ازجمله شبكه‌هاي كوانتومي عصبي يا كمك به حل مسائل شيمي ازجمله يافتن داروهاي جديد براي درمان بيماري‌ها اميدوار هستند.

اما كامپيوترهاي كوانتومي به‌دليل برتري نسبت به كامپيوترهاي كلاسيك شايسته‌ي توجهي يا نگراني هستند. به همين دليل دانشمندان و شركت‌هاي مختلف به‌ويژه گوگل، برتري كوانتومي را در فهرست اولويت‌هاي خود براي ساخت دستگاه‌هاي آينده قرار داده‌اند.

تمام طرح‌هاي پيشنهادي براي برتري كوانتومي از اصول يكساني پيروي مي‌كنند: تنظيمات پيچيده، مدارهاي تصادفي كوانتومي و اندازه‌گيري مقادير. از اين اطلاعات مي‌توان به پاسخ‌هاي زيادي رسيد. همچنين مي‌توان براي اطمينان از صحت آزمايش‌ها از اين داده‌ها به‌عنوان ورودي تست‌هاي آماري استفاده كرد. به اعتقاد فيزيك‌دان‌هاي انديشه متخصصيني، در صورت افزايش پيچيدگي، زمان موردنياز براي محاسبه‌ در كامپيوترهاي كلاسيك به طرز چشم‌گيري بيشتر از كامپيوترهاي كوانتومي خواهد بود. پس در اين زمينه كامپيوتر كوانتومي برتري خود را ثابت مي‌كند.

اما از انديشه متخصصينات تجاري، وظايف به انديشه متخصصين ساختگي و مصنوعي مي‌رسند. برتري كوانتومي يعني كامپيوتر كوانتومي به‌عنوان يك كامپيوتر نسبت به كامپيوتر كلاسيك عملكرد بهتري دارد؛ اما اين برتري فعلا متخصصدي نيست و براي مثال نمي‌توان با آن بيماري‌ها را درمان كرد. به عقيده‌ي بيل ففرمن (استاديار پژوهشي دانشگاه مريلند و دانشمند پژوهشي مؤسسه‌ي ملي فناوري و استاندارد) از انديشه متخصصينات تئوري، برتري كوانتومي عميق‌تر است.

براساس فرضيه‌اي به نام چرچ تورينگ، هر مسئله‌ي كامپيوتري را مي‌توان با يك نوع كامپيوتر انتزاعي حل كرد كه در سال ۱۹۳۶ توسط آلن تورينگ رياضي‌دان ابداع شد. كامپيوتر تئوري تمام مسائل محاسباتي را به نشانه‌هاي ساده تجزيه مي‌كند. از طرفي يك فرضيه‌ي تعميم‌يافته هم براي انديشه متخصصينيه‌ي چرچ، تورينگ وجود دارد.

از انديشه متخصصينات علمي، دانشمندان در جستجوي سودمندي كامپيوترهاي كوانتومي و مقايسه‌ي آن‌ها با كامپيوترهاي كلاسيك هستند. تا اوايل دهه‌ي ۱۹۹۰، دانشمندان كامپيوتر مسائل دشواري را براي كامپيوترهاي كوانتومي اختراع كردند؛ و بعدها الگوريتم شور طراحي شد. ففرمن مي‌گويد:

در پاسخ به افرادي كه مي‌گويند ميليون‌ها دلار صرف ساخت مسائل ساختگي مي‌شود، بايد گفت براي رسيدن به برتري كوانتومي در ابتدا بايد شالوده‌ي آن را ساخت.

البته اين آزمايش‌ها كاملا هم غيركاربردي نيستند براي مثال در اين آزمايش‌ها مي‌توان كامپيوترهاي كوانتومي را به مبدل‌هاي سودمند عدد تصادفي تبديل كرد كه در زمينه‌هاي رمزنگاري، شبيه‌سازي و بسياري از زمينه‌هاي سودمند ديگر متخصصد دارند.

اما چگونه مي‌توان به اين مرحله رسيد؟ به گزارش MIT Technology در سال گذشته، گوگل براي پيشتاز شدن در اين زمينه، كمك ناسا را در فهرست خود قرار داده است. گروهي ديگر از پژوهشگرها هم براي مقايسه به مطالعه مسائل برتري كوانتومي روي كامپيوترهاي كلاسيك مي‌پردازند يا براي اطمينان از رسيدن به برتري، روي انديشه متخصصينيه‌ي محاسباتي كار مي‌كنند.

اما اين سؤال مطرح مي‌شود كه چرا با وجود منابع و كمك‌هاي غول‌هايي مثل ناسا، گوگل، IBM و بسياري از سازمان‌هاي مطرح ديگر، هنوز هدف برتري كوانتومي به ثمر نرسيده است. در حال حاضر، بزرگ‌ترين دستگاه‌هاي تجاري كوانتومي تقريبا ۲۰ كيوبيت دارند اگرچه IBM، گوگل و يونيكو در حال تست دستگاه‌هايي با ۵۰، ۷۲ و حتي ۱۶۰ كيوبيت هستند؛ اما مراحل ساخت و راه‌اندازي كامپيوترهاي كوانتومي بسيار دشوار است.

دانشمندان به‌جاي ترانزيستورهاي سيليكوني روي ميكروتراشه‌ها، بايد دستگاه‌هاي بدون ليزري را بسازند كه اتم‌هاي واحد را به دام مي‌اندازند و ماده را ابررسانا مي‌كنند به‌طوري‌كه جريان را بدون مقاومت منتقل كند و به‌اين‌ترتيب مي‌توان به خواص قابل تغيير كوانتومي و معماري‌هاي بالقوه‌ي ديگر رسيد.

براي رسيدن به اين هدف، پردازنده بايد در دماي صفر مطلق قرار بگيرد. در اين دما ذرات از حداقل گرما برخوردار هستند. كنترل و ثابت نگه‌داشتن چنين سيستمي بسيار دشوار است زيرا اندك انرژي محيط مي‌تواند منجر به فروپاشي كيوبيت‌ها و تجزيه‌ي آن‌ها به بيت‌هاي معمولي و بسيار پرهزينه شود.

در چنين شرايطي فقط قبل از فروپاشي وضعيت كوانتومي مي‌توان به اجراي يك مجموعه از عمليات كوانتومي يا گيت پرداخت. محصور كردن تعداد زياد كيوبيت منجر به فروپاشي سيستم مي‌شود. هر كيوبيت اضافه، پيچيدگي ماشين را دو برابر خواهد كرد؛ بنابراين لازم است پالس‌هاي الكترومغناطيسي كه مسئوليت كنترل سيستم را دارند به شكل بي‌نقصي تنظيم شوند.

از طرفي دانشمندان كامپيوتر كوانتومي تنها به‌دنبال شكست دادن كامپيوترهاي كلاسيك نيستند. هدف آن‌ها ارائه‌ي راه‌حل‌هايي است كه در كامپيوترهاي كلاسيك دستيابي به آن‌ها دشوارتر است؛ و پژوهشگرها بايد نتيجه‌ي كامپيوتر كوانتومي را مطالعه كنند كه ممكن است كامپيوتر غيركوانتومي قادر به اجراي آن نباشد. گرام اسميت، استاديار دانشگاه كلرادو بولدر مي‌گويد:

اطمينان دارم به‌زودي به برتري كوانتومي خواهيم رسيد اما هنوز سؤالي بي‌پاسخي در مورد چگونگي رسيدن به اين هدف وجود دارد و مطالعه اين مسائل در عمل بسيار دشوار است.

شايد در تمام تلاش‌ها براي دستيابي به برتري كوانتومي متوجه الگويي خاص شده باشيد: هيچ‌كس به برتري كوانتومي نرسيده است زيرا دشوار است.

دانشمندان IBM هدف ساده‌تري دارند. آن‌ها به‌دنبال مزيت كوانتومي هستند. تفاوت ظريفي بين برتري كوانتومي و مزيت كوانتومي وجود دارد. برتري كوانتومي به اين معني است كه كامپيوتر كوانتومي قادر به اجراي محاسباتي است كه كامپيوتر كلاسيك نمي‌تواند آن وظايف را در مدت‌زماني معقول اجرا كند. مزيت كوانتومي به اين معني است كه كامپيوتر كوانتومي مي‌تواند در انجام بعضي محاسبات كامپيوتر كلاسيك را شكست دهد، حتي اگر اين برتري اندك باشد.

 بعضي پژوهشگرها ازطريق محاسبات رياضي برتري كامپيوترهاي كوانتومي به كامپيوترهاي كلاسيك را ثابت مي‌كنند؛ اما در شرايط كنوني كامپيوترهاي كوانتومي ازانديشه متخصصين محدوديت‌ها مشابه كامپيوترهاي كلاسيك هستند؛ يعني تعداد وظايفي كه يك كامپيوتر كوانتومي به‌صورت هم‌زمان مي‌تواند اجرا كند اندك هستند؛ زيرا كيوبيت‌ها مدت كمي در شرايط پايدار باقي مي‌مانند و خيلي زود دچار فروپاشي مي‌شوند.

رسيدن به برتري كوانتومي هدف ايده‌آلي است اما اگر صنعت تنها به‌دنبال الگوريتمي سريع‌تر باشد، آنگاه در مزيت كوانتومي مي‌توان زودتر از برتري كوانتومي به كامپيوترهاي كوانتومي متخصصدي رسيد. آرام هارو، استاديار فيزيك MIT مي‌گويد:

گوگل و IBM تلاش مي‌كنند كامپيوترهاي كوانتومي قابل‌برنامه‌ريزي بسازند. گوگل مي‌گويد هدف آن برتري است، IBM هدف خود را مزيت كوانتومي مي‌داند. البته اين دو هدف تفاوت زيادي در سخت‌افزار توليد شده ايجاد نمي‌كنند.

به‌طوركلي در عمل تفاوتي بين برتري كوانتومي و مزيت كوانتومي وجود نخواهد داشت. هر دو منجر به توليد دستگاه‌هايي با خطاي كمتر مي‌شوند كه دانشمندان به آن‌ها NISQ (ماشين‌هاي كوانتومي مقياس متوسط نويزدار) مي‌گويند. البته اين ماشين‌ها هم مانند ماشين‌هاي كلاسيك با محدوديت‌هايي مثل پايداري اندك كيوبيت‌ها يا تعداد محاسبات اندك كيوبيت قبل از فروپاشي ماهيت كوانتومي روبه‌رو هستند. به‌گفته‌ي مكانا متكالف، پژوهشگر پست دكترا در آزمايشگاه ملي لاورنس بركلي، برتري كوانتومي راه را براي حل مسائل جذاب‌تر هموار خواهد كرد.

از طرفي ساخت كامپيوترهاي رمزگشا و دستگاه‌هاي شبيه‌ساز مولكولي از اهداف قريب‌الوقوع  است. به‌گفته‌ي مكانا،  پيش‌نياز ساخت اين كامپيوترها، افزايش تعداد كيوبيت و افزايش عمق گيت است. كيوبيت‌ها قبل از فروپاشي و از دست دادن پايداري خود بايد محاسبات بيشتري را انجام دهند.

به‌طوركلي بايد روش‌هايي براي توسعه‌ي مقياس و اندازه‌ي سيستم‌ها پيدا كرد كه البته اين كار به‌سادگي قرار دادن آجر روي يك برج لگويي (اسباب‌بازي) نيست. كامپيوترهاي كوانتومي به تصحيح خطا يا ذخيره‌سازي اطلاعات يك كيوبيت در چند كيوبيت محصور نياز دارند تا به‌اين‌ترتيب خطاهاي احتمالي را تصحيح كنند.

دستگاه‌هاي عصر NISQ مرزهاي فيزيك كوانتومي را كنار خواهند زد و حتي شايد در آينده‌اي نزديك با اثبات «برتري كوانتومي»، «مزيت كوانتومي» يا حتي فقط «سودمندي كوانتومي» به‌صورت متخصصدي مورداستفاده قرار بگيرند. در حال حاضر مطالعه‌هايي روي دستگاه‌هاي كوانتومي در زمينه‌هايي مثل حسگرها و ابزارهاي رمزنگاري انجام مي‌شود كه ممكن است خيلي زود وارد حوزه‌هاي متخصصدي شوند.

خوشبختانه دانشمندان و متخصصان فناوري به‌زودي برتري يا مزيت كوانتومي را ثابت خواهند كرد و متخصصدهاي كامپيوتري سودمندي را براي آن پيدا خواهند كرد. پرسكيل مي‌گويد:

بسته به ابعاد مختلف به‌ويژه جنبه‌هاي تجاري، شركت‌ها به سرمايه‌گذاري و ساخت سيستم‌ها مي‌پردازند؛ اما اگر نتوانند در طي ۱۰ سال برنامه‌ها و متخصصدهاي سودمندي توليد كنند چه اتفاقي خواهد افتاد؟ آيا مردم از درك ظرفيت كوانتومي نااميد مي‌شوند و خرابي كوانتومي رخ خواهد داد؟

در حال حاضر، دولت ايالات‌متحده براي يادگيري دانشمندان و تزريق دانش به اين صنعت، بودجه‌اي را به اين بخش اختصاص داده است. برتري كوانتومي يكي از چشم‌اندازهاي نزديك فناوري است و مطالعه آن به شيوه‌هاي عميق و بنيادي ادامه دارد؛ اما شايد اثبات برتري كوانتومي لاخبار تخصصيا به‌معني آمدن كامپيوترهاي كوانتومي بر سر ميز متخصصان نباشد. به‌ويژه وقتي مباحثه ظرفيت قريب‌الوقوع مطرح مي‌شود ابهامات زيادي به وجود مي‌آيد.

كامپيوترهاي كوانتومي نشان مي‌دهند علم و فناوري اهداف و انديشه متخصصينات‌هاي متفاوتي براي درك برتري كوانتومي دارند. فناوري مي‌تواند به‌معني رژه‌اي بي‌انتها به سمت محصولي بهتر باشد؛ اما علم،  آهسته‌تر، غيرقابل‌پيش‌بيني و اغلب اوقات دقيق‌تر است؛ زيرا براي نقد و مطالعه كامپيوترهاي كوانتومي در ابتدا لازم است تمام مباني آن و چگونگي عملكرد دستگاه‌هاي جديد را درك كرد.