انقلاب بعدي دنياي فناوري؛ كامپيوتر كوانتومي در مسير تجاري‌سازي

محاسبات كوانتومي سال‌ها در انحصار دانشمندان و در شرايط آزمايشگاهي در حال توسعه بوده است؛ اما پيشرفت‌هاي جديد، اين فناوري انقلابي را به سمت متخصصدهاي عملي سوق مي‌دهد. دست‌آوردهايي از جمله سيستم خنك‌كننده قوي‌تر، تراشه‌هاي پيشرفته‌تر، افزايش ظرفيت پردازش، پيشرفت در فرايند تصحيح خطا و... يادآوري مي‌كنند كه شايد تا عمومي شدن اين نوع كامپيوتر در صنايع و تجارت‌هاي خاص، كم‌تر از يك دهه فاصله داشته باشيم.

كامپيوترهاي مبتني بر كوانتوم در ‌مقايسه با كامپيوترها و ابركامپيوترهاي سنتي، مي‌توانند عملكرد پردازشي به‌مراتب سريع‌تر و دقيق‌تري ارائه بدهند. ايده‌ي اصلي كامپيوتر‌ كوانتومي اين است كه مي‌توان از خواص و قوانين فيزيك كوانتوم براي ذخيره‌سازي و پردازش داده‌ استفاده كرد. اين بهبود عملكرد از طريق توانايي داشتن بيش از دو حالت منطقي و انجام دستورالعمل‌هاي مختلف با استفاده از تمام جايگشت‌هاي ممكن در يك زمان واحد به دست مي‌آيد.

در اجلاس محاسبات كوانتومي (Q2B) كه هفته‌ي گذشته برگزار شد، چند نفر از مهم‌ترين بازيگران صنعت كامپيوتر كوانتومي از جمله گوگل، IBM، هاني‌ول، IonQ و Xanadu به شرح نقشه‌ي راه خود تا سال ۲۰۲۴ براي بهبود پردازش‌ كوانتومي پرداختند كه باعث مي‌شود ماشين‌هاي آن‌ها بيشتر به مسير عملياتي و تجاري نزديك شود. اين دستاوردها شامل افزايش مقياس‌پذيري، عملكرد و قابليت اطمينان كامپيوتر‌ كوانتومي است.

با استناد به پيش‌بيني جامعه‌ي آماري هايپريون، هزينه‌هاي بخش خصوصي براي محصولات و خدمات رايانش كوانتومي احتمالا در سال ۲۰۲۴ با جهشي سه برابري به ۸۳۰ ميليون دلار خواهد رسيد؛ اين رقم در سال ۲۰۱۹ حدود ۲۵۰ ميليون برآورد شده بود. سنت لويد، استاد MIT و يكي از كليدي‌ترين افراد در پيش‌برد اين صنعت، درباره‌ي پتانسيل پردازش‌هاي كوانتومي مي‌گويد: 

ما در اوايل دوره صنعتي محاسبات كوانتومي هستيم. پيشرفت‌هاي عظيم حاصل از اين صنعت را مي‌توان با استفاده‌ي اوليه از موتور بخار براي تأمين نيرو در كارخانه‌ها، كشتي‌ها و قطارها مقايسه كرد.

در محاسبات كوانتومي روندي موسوم به «تصحيح خطا» پيشرفتي بسيار مهم و حياتي محسوب مي‌شود؛ زيرا كوچك‌ترين اختلال و خطا در روند محاسبات، مي‌تواند كل محاسبات را از بين ببرد. به زبان ساده، تصحيح خطا اين امكان را براي كامپيوتر كوانتومي فراهم مي‌كند كه محاسبات پايدارتري انجام دهند. اين پيشرفت از طريق غلبه ‌بر يك محدوديت اساسي كيوبيت‌ (عنصر اساسي ذخيره و پردازش داده در رايانش كوانتومي) حاصل مي‌شود. در حقيقت اين فرايند براي محافظت از اطلاعات كوانتومي در برابر خطاهاي ناشي از عدم انسجام و ساير نويزهاي كوانتومي استفاده مي‌شود.

تصحيح خطاي كوانتومي براي دستيابي به محاسبات كوانتوميِ مقاوم در برابر خطا ضروري است و مي‌تواند نه‌تنها با نويز موجود در اطلاعات كوانتومي ذخيره‌شده، بلكه با دروازه‌هاي كوانتومي و آماده‌سازي و اندازه‌گيري‌هاي معيوب مقابله كند. به عبارتي ديگر، به‌ دليل اينكه ايزوله كردن حقيقي سيستم‌هاي كوانتومي بسيار سخت و دشوار است، سيستم‌هاي تصحيح خطاي محاسبات كوانتومي ايجاد شده‌اند. كيوبيت‌ها، بيت‌ ديجيتال داده نيستند؛ ازاين‌رو نمي‌توان از روش‌هاي متداول تصحيح خطا، از جمله روش افزونگي سه‌گانه استفاده كرد. 

كيوبيت‌ها به‌راحتي به‌وسيله‌ي نيروهاي خارجي آشفته و با اختلال روبه‌رو مي‌شوند؛ اما فرايند تصحيح خطا براي غلبه ‌بر ظرافت كيوبيت‌هاي فردي طراحي شده است. اين فرايند به ماشين‌آلات بزرگ‌تر با تعداد بيشتري كيوبيت احتياج دارد و سازندگان كامپيوتر كوانتومي با سرعت در حال پيشرفت در اين زمينه هستند. اگر سازندگان كامپيوتر كوانتومي موفق به افزايش تعداد كيوبيت‌ها شوند، تصحيح خطا مي‌تواند به صنعت كمك كند تا وعده‌ي بهبود چشمگير عملكرد پردازش براي برخي از اشكالات مهم را تحقق بخشد.

اكنون تمامي صاحب‌انديشه متخصصينان اين صنعت بر اين باورند كه كامپيوتر كوانتومي، با توجه به اشكالات ساخت و هزينه‌هاي هنگفت، به‌زودي‌ جايگزين كامپيوتر كلاسيك نخواهد شد؛ اما اعتقاد بر اين است كه مي‌تواند براي طراحي صفحات خورشيدي جديد، كاهش مصرف سوخت هواپيما، سرعت و دقت هوش مصنوعي، بهبود سرمايه‌گذاري مالي و كاهش هزينه‌هاي تحويل، از مرزها و استانداردهاي كنوني فراتر برود.

كامپيوترهاي كنوني اطلاعات را به‌صورت بيتِ يك يا صفر (روشن/خاموش) ذخيره مي‌كنند و محاسبات را با استفاده از اجزاي كوچك پردازش الكترونيكي داده موسوم به «ترانزيستور» انجام مي‌دهند. در مقابل، كامپيوترهاي كوانتومي با تكيه بر كيوبيت‌ها مي‌توانند تركيبي از يك و صفر را به ‌لطف پديده فيزيك كوانتومي برهم‌نهي، به‌صورت هم‌زمان ذخيره كنند. افزون‌براين، كيوبيت‌ها مي‌توانند با درهم‌تنيدگي (يكي ديگر از پديده‌هاي فيزيك كوانتوم) با يكديگر پيوند ايجاد كنند.

به‌صورت كلي، محاسبات كوانتومي شامل مجموعه‌اي از دستكاري‌ها در حالت‌هاي كيوبيت مي‌شود كه به آن گيت منطقي كوانتومي و به دنباله‌اي از گيت‌‎ها، مدار كوانتومي مي‌گويند. افزايش دستكاري‌هاي گيت، اين امكان را فراهم مي‌كند كه مدار عميق‌تر شود و توانايي محاسبات كوانتومي پيچيده‌تر به ‌ارمغان مي‌آورد. افزايش تعداد كيوبيت‌ها مقياس رايانش قابل انجام را هم به‌طور تصاعدي افزايش مي‌دهد. افزودن يك كيوبيت، واحد مقياس محاسبه‌ي ممكن را دو برابر مي‌كند. حال تصور كنيد كه اضافه كردن دو كيوبيت چهارگانه و... مقياس محاسبه را چقدر افزايش مي‌دهد.

در حال‌ حاضر محققان كوانتوم فقط از تعداد كمي كيوبيت (بيت كوانتومي) بهره مي‌گيرند كه با استفاده از سيستم‌هاي كوچك‌تر و با طراحي سفارشي، با مكانيسم‌هاي پيچيده‌ي كنترل و اتصال احاطه شده‌اند. متخصصد محاسبات كوانتومي براي رفع اشكالات دنياي واقعي، قبل از هر چيز به توانايي مقياس‌پذيري و كنترل هم‌زمان هزاران كيوبيت، با هماهنگي بسيار بستگي دارد. افزايش تعداد كيوبيت باعث ايجاد موارد ديگري مي‌شود كه ظرفيت و عملكرد سيستم كوانتومي را به چالش مي‌كشند. يكي از اين تأثيرات بالقوه مي‌تواند كاهش هماهنگي و عملكرد كيوبيت‌ها باشد؛ اما شركت‌هايي مانند اينتل پيشرفت‌هاي بسياري در اين زمينه ايجاد كرده‌اند.

اين پيشرفت‌ها دانشمندان صنعت يادشده را به هيجان مي‌آورد. كامپيوترهاي امروزي داراي چند دَه كيوبيت هستند؛ اما ساليان آينده اين ماشين‌هاي پيشرفته اين پتانسيل را خواهند داشت كه هزاران و سپس ميليون‌ها كيوبيت را در بطن خود جاي دهند. سازندگان كامپيوتر كوانتومي در حال كار روي روش‌هاي مختلف براي ساخت كيوبيت‌ پايدارتر به‌منظور ايجاد پايه‌ي كوانتومي محكم‌تر براي كيوبيت‌ها و نحوه‌ي اتصال آن‌ها هستند تا اختلال‌ احتمالي در محاسبات را از گردونه خارج كنند. در جايي كه سازندگان تراشه‌هاي سيليكوني مرسوم در يك روش توليد خاص مستقر و محدود شده‌اند، سازندگان كامپيوتر كوانتومي پيوسته در حال جستجوي امكانات مختلف براي كيوبيت‌ها هستند.

گوگل و IBM از مدارهاي ابررسانا استفاده مي‌كنند كه تقريبا در صفر مطلق خنك مي‌شوند. از طرف ديگر هاني‌ول طراحي تله‌يوني كيوبيت‌ها را از اتم‌هاي ايتربيم مجهز به بار الكتريكي توليد مي‌كند. كيوبيت‌هاي اينتل الكترون‌هاي منفردي هستند كه توسط ويژگي مكانيكي كوانتومي چرخش از ديگران متمايز مي‌شوند و Xanadu براي كيوبيت‌هايش از فوتون بهره مي‌گيرد و پردازنده‌هاي كوانتومي آن در دماي اتاق كار مي‌كنند.

ايجاد يك پايه‌ي كوانتومي قوي بسيار مفيد خواهد بود؛ اما تصحيح خطا هنوز به‌عنوان راهي براي غلبه ‌بر اشكالات پيش‌ روي كيوبيت‌ها ضروري است. ايده اصلي براي تصحيح خطا، جفت كردن چندين كوبيت با هم در يك كيوبيت منطقي است. كيوبيت منطقي، يك كيوبيت فيزيكي يا انتزاعي است كه با توجه‌ به الگوريتم‌هاي كوانتوم يا مدار كوانتومي مشخص‌شده عمل مي‌كند و بسته به تبديل واحد، از زمان انسجام كافي برخوردار است تا توسط گيت‌هاي منطقي كوانتوم قابل استفاده باشد.

يك كيوبيت منطقي مي‌تواند به هزار كيوبيت فيزيكي نياز داشته باشد. براي مثال، محاسبات كوانتومي مهم از جمله الگوريتم‌هاي Shor كه براي شكستن رمزگذاري كنوني استفاده مي‌شود، به هزاران كيوبيت منطقي نياز دارد. كريس مونرو، دانشمند ارشد و بنيان‌گذار مؤسسه‌ي IonQ، در جريان رويداد Q2B گفت اميدوار است رويكرد ابداعي آن‌ها فقط به ۱۳ كيوبيت فيزيكي براي يك كيوبيت منطقي نياز داشته باشد و به ‌انديشه متخصصين مي‌رسد كه رويكرد و انديشه متخصصينيه‌ي اين مؤسسه در حال حركت به ‌سمت عملي ‌شدن است.

اريك لوسرو كه سرويس محاسبات كوانتومي گوگل را اداره مي‌كند، كيوبيت‌هاي منطقي را «كيوبيت‌هاي تمام‌عيار و هميشگي» مي‌نامد. او ادعا مي‌كند كه گوگل به فناوري كيوبيت منطقي دست يافته است و اولين كيوبيت منطقي را در سال ۲۰۲۳ توليد خواهد كرد و تا پايان دهه (۲۰۳۰) به هزار عدد از آن‌ها  دست خواهد يافت.

با استناد به نقشه‌ي راه IBM، اين شركت در انديشه متخصصين دارد تراشه‌ي Eagle مجهز به ۱۲۷ كيوبيت را در سال آينده‌ي ميلادي و پردازنده‌ي Osprey با ۴۳۳ كيوبيت را در سال ۲۰۲۲ آماده‌ي استفاده كند. اين در حالي است كه قوي‌ترين كامپيوتر كوانتومي آن‌ها موسوم به Hummingbird در حال حاضر از ۶۵ كيوبيت بهره مي‌گيرد. گفته مي‌شود شركت يادشده در سال ۲۰۲۳ تراشه‌ي كُندور (Condor) را عملياتي مي‌كند كه در بطن خود ۱۱۱۲ كيوبيت جاي داده است و نقطه‌ي عطفي در مفيدتر كردن الگوريتم‌هاي محاسبات كوانتومي محسوب مي‌شود.

زانكاردو ورنون، رئيس سخت‌افزار شركت Xanadu اعلام كرده است كه آن‌ها در حال حاضر از تراشه‌ي ۲۴ كيوبيتي بهره مي‌گيرند؛ اما انتظار مي‌رود امسال يك تراشه‌ي ۴۰ كيوبيتي آن‌ها را در رقابت پردازش‌ كوانتومي همراهي كند. وي پيش‌بيني مي‌كند كه تعداد كيوبيت بايد هر شش تا دوازده ماه دو برابر شود.

محققان مراقب‌اند كه از وعده‌هاي پيشرفت چشم‌پوشي نكنند؛ اما كامپيوتر كوانتومي مي‌تواند قبل از ورود به فرايند تصحيح خطا نيز مفيد باشد. به‌عنوان مثال، امروزه مشتريان كوانتومي IBM را دَه‌ها شركت از جمله بوئينگ، جي. پي. مورگان، دايملر، دلتا و... تشكيل داده‌اند. برخي از اين مشتريان علاقه‌مند به طراحي مواد درشت‌مولكول هستند كه در واقع يكي از اولين ايده‌هاي ريچارد فاينمن در رابطه با كارايي كامپيوتر كوانتومي است.

با استفاده از پردازش‌ كوانتومي مي‌توان اميد داشت كه در سال‌هاي آينده، به موفقيت‌هايي از جمله پنل‌ خورشيدي كارآمدتر، باتري‌ با ظرفيت بيشتر يا توليد كود با انرژي كم دست يافت. مارك فيشر، معاون ارشد فيزيك پرواز شركت ايرباس، در اجلاس محاسبات كوانتومي اعلام كرد كه غول هوافضاي اروپايي برنامه‌ي گسترده‌اي براي بهره‌گيري از پردازش‌هاي كوانتومي دارد. او مي‌گويد:

ما در حال تحقيق و مطالعه محاسبات كوانتومي براي بهبود آيروديناميك هواپيما، صرفه‌جويي در مصرف سوخت در هنگام صعود، بارگيري سريع‌تر هواپيماها و طراحي بال با فاكتورهايي هستيم كه با استفاده از كامپيوتر كلاسيك قابل محاسبه نيستند.

هاني‌ول ديگر بازيگر مهم اين صنعت، استفاده از محاسبات كوانتومي را براي مشاغل شخصي مانند طراحي شيميايي و اتوماسيون انبار و بخش هوافضا در انديشه متخصصين گرفته است. اريك اشميت به‌عنوان مدير و رئيس اجرايي اسبق گوگل، يكي ديگر از سرشناس‌ترين افرادي است كه در اين رويداد به اظهارانديشه متخصصين پرداخته و برنامه محاسبات كوانتومي بلندمدت گوگل را تأييد كرده است. او سال گذشته با آزمايشي نشان داد كه كامپيوتر كوانتومي مي‌تواند حداقل براي يك كار سخت محاسباتي محدود (البته نه عملي)، به‌راحتي از كامپيوتر كلاسيك پيشي بگيرد. اشميت مي‌گويد: 

ما مي‌دانيم كه اين موارد شش تا هشت سال ديگر اتفاق خواهد افتاد؛ اما وقتي اتفاق بيافتد باورنكردني خواهد بود.

با اين اوصاف غول‌هاي تكنولوژي مانند اينتل و IBM و گوگل و... براي دستيابي به برتري كوانتومي، به‌سختي در حال رقابت هستند؛ زيرا بر اين باورند كه اين فناوري آينده‌ي صنعت را شكل خواهد داد و شواهد نشان مي‌دهد كه سال‌هاي آينده اخبار زيادي از تجاري‌سازي اين فناوري بسيار مهم منتشر خواهد شد.

انديشه متخصصينات شما متخصصان اخبار تخصصي، علمي، تكنولوژيكي، فناوري مرجع متخصصين ايران درباره‌ي كامپيوتر كوانتومي و تأثير آن در آينده‌ي صنايع چيست؟