کامپیوتر کوانتومی، سوپر کامپیوترهای رایج را به زباله دان تاریخ انداخت.
کامپیوتر کوانتومی چیست؟
کامپیوتر کوانتومی بسیار فراتر از تکنولوژی کامپیوترهای عادی رفته و از این دستاورد با نام برتری کوانتومی یاد می کنند. این اتفاق نقطه عطف مهمی در مسیر پردازش داده ها بحساب می آید که گوگل نتایج آن را در نشریه Nature انتشار داده است. این دستاورد پس از یک دهه فعالیت گوگل بر روی چیپست کوانتومی خود که Sycamore نامیده می شود به سرانجام رسیده است.
محققین گوگل در یک بلاگ اعلام کردند: “ماشین ما پردازش های مورد نظر را ظرف 200 ثانیه اجرا کرد، و اندازه گیزی هایی را در تست ما صورت داد که ما می توانیم اعلام کنیم سریعترین سوپر کامپیوتر حال حاضر دنیا برای نتیجه محاسباتی مانند آنچه بدست آمده 10.000 سال زمان نیاز دارد.”
اخباری که در ماه سپتامبر توسط نشریه Premature Paper منتشر گردیده، شواهدی را ارائه میدهد که کامپیوترهای کوانتومی می توانند آزمایشگاه های تحقیقاتی را ترک نموده و به سمت عملیاتی شدن حرکت کنند. این کامپیوترها می توانند کارهای مهمی نظیر ساخت مواد نوین، تولید داروهای جدید در سطح ملکولی، بهبود سرمایه گذاری های مالی و افزایش سرعت تحویل بسته ها را صورت دهند.
یکی از محققان این پروژه به نام هارتموت نِوِن در کنفرانس خبری در ابراتوار پردازش گوگل در سانتا باربارای ایالت کالیفرنیا با رد این انتقادات که اظهار میدارند نتیج حاصله تنها یک موفقیت اندک است گفت: “فضا پیمای اسپوتنیک نیز کار زیادی انجام نداد، تنها به دور زمین گشت. ولی این اتفاق سرآغازی بر عصر فضا بود.”
اما می توان گفت که این رویداد آغازی بر اتمام دوران کامپیوترهای کلاسیک نخواهد بود، حداقل براساس نظر امروز متخصصان پردازش کوانتومی. کامپیوترهای کوانتومی هنوز کمی عجیب و غریب هستند و باید در محیط کاملا کنترل شده ای راه اندازی شوند و بنظر نمی آید که جایگزین کامپیوترهای کلاسیکی که ما امروزه استفاده می کنیم به این زودی بشوند.
بجای آن قرار است این کامپیوترهای کوانتومی به عنوان یاری دهنده کامپیوترهای کلاسیک عمل نمایند. به گفته هارتموت نِوِن: ” این یک منبع ضروری در برخی لحظه ها خواهد بود”. از سوی دیگر آقای اسکات آرونسون محقق پردازش کوانتومی از این اتفاق از لحاظ اهمیت به مانند لحظه پا نهادن بر روی ماه یاد کرده است و در توییتی آقای ساندرا پیجای مدیر اجرایی گوگل آن را موفقیتی بزرگ نامیده است. برای نشان دادن اهمیت و دشواری کار می توان گفت که مقالع برتری کوانتومی 77 نویسنده دارد.
امروزه صنایع بسیاری به توسعه کامپیوترهای کلاسیک اختصاص داده شده اند، اما تعداد اندکی از آزمایشگاه های گرانقیمت مانند گوگل، اینتل، مایکروسافت، هانیول و IBM کامپیوترهای کوانتومی چندمنظوره را دنبال می کنند. این کامپیوترها دستگاه های عجیبی هستند، در محیطی راه اندازی می شوند که برای جلوگیری از آشفتگی تا نزدیکی دمای صفر مطلق سرد می شوند، پس انتظار نداشته باشید که یک کامپیوتر کوانتومی را بر روی میزتان پیدا کنید.ازمایشات
تست سرعت گوگل برای محاسبات کاری مانند هوش مصنوعی، علم مواد و تولید اعداد تصادفی بکارگرفته شده است. این آزمایشات در کنار صحبت هایی که محققان پردازش کوانتومی گوگل در مورد ضرورت تولید اعداد تصادفی در توسعه رمزگذاری انجام داده اند می تواند اهمیت موضوع را نشان دهد.
گوگل اعلام کرده است که اولین مشتریان این کامپیوتر گوگل که شامل وزارت انرژی امریکا، خودروسازی دایملر و فولکس واگن می شود، می توانند از این ماشین در سالهای آینده استفاده نمایند. همچنین به مانند پردازش کوانتومی IBM، این ماشین بصورت یک سرویس پردازش ابری از طریق اینترنت در دسترس خواهد بود.
فرق کامپیوتر کوانتومی و کلاسیک
تقریبا تمامی دستگاه های دیجیتال تاکنون، از انیاک در سال 1945 تا آیفون 11 اپل در سال 2019، یک کامپیوتر کلاسیک بوده اند. پایه تمام آنها براساس مدارهای منطقی بوده تا بتواند کارهایی از قبیل جمع دو عدد و ذخیره آن در حافظه را صورت دهند. در صورتیکه کامپیوتر کوانتومی بطور کلی متفاوت است و تکیه آن بر قوانین پیچیده فیزیک بوده تا اجزای کوچکی مانند اتم را کنترل کنند.
در حالیکه کامپیوترهای کلاسیک برای پردازش و نگهداری اطلاعات از بیت های جداگانه 0 و 1 استفاده می کند، در کامپیوتر کوانتومی از زیربنای متفاوتی استفاده می شود که به کیوبیت (Qubit) معروف است. هر کیوبیت می تواند حالات متفاوتی از 0 و 1 را در یک لحظه ترکیب و نگهداری کند، از طرق پدیده پیچیده ای که به آن برهم نهی گفته می شود.
علاوه بر آن می توان چند کیوبیت را طی یک پدیده دیگر که درهم تنیدگی نامیده می شود می توان به هم پیوند داد. این پدیده به کامپیوتر کوانتومی اجازه می دهند که طیف وسیعی از راه حل های ممکن برای یک مسئله را در یک زمان پردازش نماید.
مزایای پردازنده کوانتومی
پردازنده‌های کوانتومی به عنوان هسته اصلی کامپیوترهای کوانتومی عمل می‌کنند و بر اساس اصول مکانیک کوانتوم طراحی و ساخته می‌شوند. در سال 2024، پیشرفت‌های مهمی در این زمینه صورت گرفته که نشان‌دهنده تلاش‌های پیوسته در بهبود این فناوری است. در ادامه به بررسی این پیشرفت‌ها می‌پردازیم:
1. افزایش تعداد کیوبیت‌ها
یکی از معیارهای اصلی در ارزیابی پیشرفت پردازنده‌های کوانتومی، افزایش تعداد کیوبیت‌ها است. کیوبیت‌ها واحدهای اصلی اطلاعات در محاسبات کوانتومی هستند. شرکت‌هایی نظیر IBM، Google و Rigetti در حال توسعه پردازنده‌هایی با تعداد بیشتری کیوبیت هستند. به عنوان نمونه:
IBM: این شرکت پردازنده‌هایی با صدها و حتی هزاران کیوبیت را در دست توسعه دارد.
Google: پردازنده Sycamore گوگل نیز پیشرفت‌هایی داشته و به دنبال افزایش تعداد کیوبیت‌ها و کاهش خطاهاست.
2. کاهش نرخ خطا و بهبود تصحیح خطا
یکی از چالش‌های بزرگ در پردازنده‌های کوانتومی، نرخ بالای خطای کیوبیت‌ها است. تکنیک‌های تصحیح خطای کوانتومی به طور مداوم در حال بهبود هستند و این امر به اجرای دقیق‌تر محاسبات کوانتومی کمک می‌کند.
3. بهبود تکنولوژی‌های سخت‌افزاری
پیشرفت‌های قابل توجهی در تکنولوژی‌های ساخت و تولید کیوبیت‌ها رخ داده است. انواع مختلفی از کیوبیت‌ها مانند کیوبیت‌های ابررسانا، کیوبیت‌های فوتونیک و کیوبیت‌های مبتنی بر یون‌های به دام افتاده هر کدام با مزایا و چالش‌های خاص خود، در حال توسعه و بهبود هستند.
4. تجاری‌سازی و دسترسی بیشتر
با رشد و توسعه پردازنده‌های کوانتومی، شرکت‌های مختلف خدمات پردازش کوانتومی را به صورت تجاری ارائه می‌دهند. این خدمات از طریق ابر کوانتومی (Quantum Cloud) در دسترس هستند و به محققان و شرکت‌ها امکان استفاده از قدرت محاسباتی کوانتومی را بدون نیاز به تجهیزات فیزیکی فراهم می‌کنند.
5. پیشرفت در نرم‌افزارها و الگوریتم‌های کوانتومی
همزمان با پیشرفت‌های سخت‌افزاری، نرم‌افزارها و الگوریتم‌های کوانتومی نیز در حال توسعه هستند. این الگوریتم‌ها برای استفاده بهینه از پردازنده‌های کوانتومی طراحی شده‌اند و به حل مسائل پیچیده‌ای مانند شبیه‌سازی مولکولی، بهینه‌سازی و یادگیری ماشینی کمک می‌کنند.
چالش‌ها و محدودیت‌ها رایانه کوانتومی
وقتی با پرسش «کامپیوتر کوانتومی چیست» روبه‌رو می‌شویم، شاید در نگاه اول تنها به مزایای آن در سرعت و قدرت پردازش فکر کنیم. اما در پس این فناوری پیشرفته، چالش‌های فنی پیچیده‌ای نهفته است که توسعه آن را با موانع متعددی روبه‌رو کرده‌اند. یکی از اصلی‌ترین مشکلات، ناپایداری کوانتومی یا decoherence است؛ حالتی که در آن کیوبیت‌ها به دلیل نویزهای محیطی، حالت کوانتومی خود را از دست می‌دهند و باعث از بین رفتن اطلاعات می‌شوند. این ویژگی، نگهداری و پردازش داده‌ها در کامپیوترهای کوانتومی را به چالشی بزرگ تبدیل کرده است.
در ادامه بررسی اینکه کامپیوتر کوانتومی چیست، باید به نرخ بالای خطا در پردازش‌های کوانتومی اشاره کرد. برخلاف رایانه‌های کلاسیک که خطاهای بسیار کمی دارند، در سامانه‌های کوانتومی کوچک‌ترین انحراف می‌تواند محاسبات را مختل کند. به همین دلیل، ایجاد سیستم‌های اصلاح خطای کوانتومی به یکی از مهم‌ترین محورهای پژوهش در این حوزه تبدیل شده، هرچند این فرآیند نیازمند استفاده از ده‌ها کیوبیت برای حفاظت از تنها یک کیوبیت فعال است.
موضوع دیگری که در پاسخ به پرسش «کامپیوتر کوانتومی چیست» باید مورد توجه قرار گیرد، شرایط فیزیکی بسیار خاص برای عملکرد این دستگاه‌هاست. اغلب آنها نیاز دارند تا در دمایی نزدیک به صفر مطلق کار کنند، که دستیابی به چنین محیطی نیازمند فناوری‌های بسیار پیشرفته و پرهزینه است. همین موضوع تجاری‌سازی گسترده رایانه‌های کوانتومی را دشوار کرده است.
همچنین نبود استانداردهای سخت‌افزاری و نرم‌افزاری یکپارچه در میان شرکت‌ها و مراکز تحقیقاتی مختلف، باعث ایجاد پراکندگی در پیشرفت‌ها شده و روند توسعه را کند کرده است. هر سازمان از روش‌های منحصر به‌فرد خود برای ساخت کیوبیت‌ها استفاده می‌کند که این مسئله مانع از شکل‌گیری یک مسیر واحد برای آینده رایانش کوانتومی شده است.
در نهایت، زمانی که می‌پرسیم کامپیوتر کوانتومی چیست، باید بدانیم که پاسخ تنها به فناوری آینده‌نگرانه محدود نمی‌شود، بلکه با مجموعه‌ای از چالش‌ها و محدودیت‌هایی همراه است که نیازمند همکاری جهانی، سرمایه‌گذاری گسترده و صبر علمی فراوان هستند.
