چه زمانی کامپیوترهای کوانتومی بر کامپیوترهای معمولی برتری پیدا می‌کنند؟

بالاخره روزی خواهد رسید که کامپیوترهای کوانتومی مسائل دشوار کامپیوترهای معمولی را به‌راحتی حل خواهند کرد. دانشمندان و شرکت‌ها به‌سوی هدف موسوم به برتری کوانتومی، به رقابت با یکدیگر می‌پردازند. این هدف امروز تقریبا دور از دسترس به نظر می‌رسد و با خواندن داستان رایانش کوانتومی از خود می‌پرسید چرا دنیا هنوز نتوانسته است به این هدف برسد.

در پاسخ به این سؤال می‌توان گفت، کنترل خواص کوانتومی ذرات دشوار است. حتی اگر بتوان از خواص کوانتومی برای محاسبه استفاده کرد، استفاده از اصطلاح برتری کوانتومی کار اشتباهی است. اولین اثبات برتری کوانتومی، مسئله‌ی ساختگی و غیرکاربردی است.

بااین‌حال، وقتی بحث ارزیابی دستگاه‌ها و عملکرد آن‌ها مطرح می‌شود، اهمیت برتری کوانتومی افزایش پیدا می‌کند؛ اما چه عاملی مانع از رسیدن به این هدف شده است؟ جان پرسکیل، استاد فیزیک نظری مؤسسه‌ی فناوری کالیفرنیا که برای اولین‌بار از اصطلاح «برتری کوانتومی» استفاده کرد، می‌گوید:

ما در حال ورود به دنیایی هستیم که در آن‌ کارهایی را با دستگاه‌های کوانتومی انجام می‌دهیم که قبلا انجام آن‌ها با دستگاه‌های عادی امکان‌پذیر نبودند. ما در مرحله‌ای مؤثر قرار داریم.

اما قبل از هر چیز باید به این سؤال پاسخ داد که کامپیوتر کوانتومی چیست یا اساسا کامپیوتر چیست. کامپیوترها دستگاه‌هایی هستند که داده‌ها را خلاصه‌سازی می‌کنند، آن‌ها را به‌عنوان ورودی ذخیره می‌کنند، سپس ازطریق سیستمی از دستورالعمل‌ها و الگوریتم‌های ریاضی آن‌ها را تغییر داده و دستکاری می‌کنند.

در حالت عادی داده‌ها به‌صورت بیت‌های قابل دستکاری یا دستگاه‌های فیزیکی دوگزینه‌ای (باینری) ذخیره می‌شوند و سیستمی از این بیت‌ها می‌توانند خروجی دلخواه را تولید کنند. در کامپیوترهای کوانتومی، الگوریتم‌ها روی یک معماری متفاوت نگاشته می‌شود؛ در کامپیوتر کوانتومی به‌جای بیت، دستگاه‌هایی دوگزینه‌ای به نام کیوبیت وجود دارند که تابع قوانین عجیب مکانیک کوانتوم هستند.

این فرایند ممکن است منجر به تداخل شود؛ یعنی پیشامد (احتمال ظاهر شدن) وجوه مشخصی از تاس بیشتر و پیشامد وجه‌های دیگر کمتر باشد. در رایانش کوانتومی گیت‌هایی بر تاس‌ها اعمال می‌شود. منظور از گیت‌ها پالس‌های انرژی است که بر موقعیت وزن داخل تاس تأثیر می‌گذارند و پیشامد آن‌ها را تغییر می‌دهند. نمونه‌های کاربردی شامل نگاشت بخشی از اطلاعات روی هر وجه هستند، چنین فرآیندی برای رسیدن به نتیجه‌های جذاب به تعداد زیادی چرخش تاس نیاز دارد.

دانشمندان و شرکت‌های فناوری با توسعه‌ی کامپیوترهای کوانتومی هم به‌دنبال منافع علمی خود ازجمله اجرای آزمایش‌‌های علمی هستند هم می‌خواهند بر هوش مصنوعی، امنیت سایبری و بهداشت و درمان تأثیر بگذارند. الگوریتم‌هایی وجود دارند که عملکرد آن‌ها روی کامپیوترهای کوانتومی سریع‌تر از کامپیوترهای کلاسیک است. مهم‌ترین آن‌ها الگوریتم شور (Shor) است که عمل فاکتورگیری (ضریب مشترک) را بسیار سریع‌تر از کامپیوترهای کلاسیک اجرا می‌کند.

در رمزنگاری‌های امروزی، کامپیوترهای کلاسیک به‌راحتی می‌توانند دو عدد بزرگ را با سرعت بالایی در یکدیگر ضرب کنند اما معکوس کردن این فرایند یعنی دستیابی به عامل مشترک بسیار زمان‌بر خواهد بود. اینجا است که رایانش کوانتومی اهمیت پیدا می‌کنند. کامپیوتری که بتواند الگوریتم شور را اجرا کند، استراتژی رمزنگاری را غیرایمن می‌سازد. گروهی دیگر هم به کاربرد کامپیوترهای کوانتومی در هوش مصنوعی ازجمله شبکه‌های کوانتومی عصبی یا کمک به حل مسائل شیمی ازجمله یافتن داروهای جدید برای درمان بیماری‌ها امیدوار هستند.

اما کامپیوترهای کوانتومی به‌دلیل برتری نسبت به کامپیوترهای کلاسیک شایسته‌ی توجهی یا نگرانی هستند. به همین دلیل دانشمندان و شرکت‌های مختلف به‌ویژه گوگل، برتری کوانتومی را در فهرست اولویت‌های خود برای ساخت دستگاه‌های آینده قرار داده‌اند.

تمام طرح‌های پیشنهادی برای برتری کوانتومی از اصول یکسانی پیروی می‌کنند: تنظیمات پیچیده، مدارهای تصادفی کوانتومی و اندازه‌گیری مقادیر. از این اطلاعات می‌توان به پاسخ‌های زیادی رسید. همچنین می‌توان برای اطمینان از صحت آزمایش‌ها از این داده‌ها به‌عنوان ورودی تست‌های آماری استفاده کرد. به اعتقاد فیزیک‌دان‌های نظری، در صورت افزایش پیچیدگی، زمان موردنیاز برای محاسبه‌ در کامپیوترهای کلاسیک به طرز چشم‌گیری بیشتر از کامپیوترهای کوانتومی خواهد بود. پس در این زمینه کامپیوتر کوانتومی برتری خود را ثابت می‌کند.

اما از دیدگاه تجاری، وظایف به نظر ساختگی و مصنوعی می‌رسند. برتری کوانتومی یعنی کامپیوتر کوانتومی به‌عنوان یک کامپیوتر نسبت به کامپیوتر کلاسیک عملکرد بهتری دارد؛ اما این برتری فعلا کاربردی نیست و برای مثال نمی‌توان با آن بیماری‌ها را درمان کرد. به عقیده‌ی بیل ففرمن (استادیار پژوهشی دانشگاه مریلند و دانشمند پژوهشی مؤسسه‌ی ملی فناوری و استاندارد) از دیدگاه تئوری، برتری کوانتومی عمیق‌تر است.

براساس فرضیه‌ای به نام چرچ تورینگ، هر مسئله‌ی کامپیوتری را می‌توان با یک نوع کامپیوتر انتزاعی حل کرد که در سال ۱۹۳۶ توسط آلن تورینگ ریاضی‌دان ابداع شد. کامپیوتر تئوری تمام مسائل محاسباتی را به نشانه‌های ساده تجزیه می‌کند. از طرفی یک فرضیه‌ی تعمیم‌یافته هم برای نظریه‌ی چرچ، تورینگ وجود دارد.

از دیدگاه علمی، دانشمندان در جستجوی سودمندی کامپیوترهای کوانتومی و مقایسه‌ی آن‌ها با کامپیوترهای کلاسیک هستند. تا اوایل دهه‌ی ۱۹۹۰، دانشمندان کامپیوتر مسائل دشواری را برای کامپیوترهای کوانتومی اختراع کردند؛ و بعدها الگوریتم شور طراحی شد. ففرمن می‌گوید:

در پاسخ به افرادی که می‌گویند میلیون‌ها دلار صرف ساخت مسائل ساختگی می‌شود، باید گفت برای رسیدن به برتری کوانتومی در ابتدا باید شالوده‌ی آن را ساخت.

البته این آزمایش‌ها کاملا هم غیرکاربردی نیستند برای مثال در این آزمایش‌ها می‌توان کامپیوترهای کوانتومی را به مبدل‌های سودمند عدد تصادفی تبدیل کرد که در زمینه‌های رمزنگاری، شبیه‌سازی و بسیاری از زمینه‌های سودمند دیگر کاربرد دارند.

اما چگونه می‌توان به این مرحله رسید؟ به گزارش MIT Technology در سال گذشته، گوگل برای پیشتاز شدن در این زمینه، کمک ناسا را در فهرست خود قرار داده است. گروهی دیگر از پژوهشگرها هم برای مقایسه به بررسی مسائل برتری کوانتومی روی کامپیوترهای کلاسیک می‌پردازند یا برای اطمینان از رسیدن به برتری، روی نظریه‌ی محاسباتی کار می‌کنند.

اما این سؤال مطرح می‌شود که چرا با وجود منابع و کمک‌های غول‌هایی مثل ناسا، گوگل، IBM و بسیاری از سازمان‌های مطرح دیگر، هنوز هدف برتری کوانتومی به ثمر نرسیده است. در حال حاضر، بزرگ‌ترین دستگاه‌های تجاری کوانتومی تقریبا ۲۰ کیوبیت دارند اگرچه IBM، گوگل و یونیکو در حال تست دستگاه‌هایی با ۵۰، ۷۲ و حتی ۱۶۰ کیوبیت هستند؛ اما مراحل ساخت و راه‌اندازی کامپیوترهای کوانتومی بسیار دشوار است.

دانشمندان به‌جای ترانزیستورهای سیلیکونی روی میکروتراشه‌ها، باید دستگاه‌های بدون لیزری را بسازند که اتم‌های واحد را به دام می‌اندازند و ماده را ابررسانا می‌کنند به‌طوری‌که جریان را بدون مقاومت منتقل کند و به‌این‌ترتیب می‌توان به خواص قابل تغییر کوانتومی و معماری‌های بالقوه‌ی دیگر رسید.

برای رسیدن به این هدف، پردازنده باید در دمای صفر مطلق قرار بگیرد. در این دما ذرات از حداقل گرما برخوردار هستند. کنترل و ثابت نگه‌داشتن چنین سیستمی بسیار دشوار است زیرا اندک انرژی محیط می‌تواند منجر به فروپاشی کیوبیت‌ها و تجزیه‌ی آن‌ها به بیت‌های معمولی و بسیار پرهزینه شود.

در چنین شرایطی فقط قبل از فروپاشی وضعیت کوانتومی می‌توان به اجرای یک مجموعه از عملیات کوانتومی یا گیت پرداخت. محصور کردن تعداد زیاد کیوبیت منجر به فروپاشی سیستم می‌شود. هر کیوبیت اضافه، پیچیدگی ماشین را دو برابر خواهد کرد؛ بنابراین لازم است پالس‌های الکترومغناطیسی که مسئولیت کنترل سیستم را دارند به شکل بی‌نقصی تنظیم شوند.

از طرفی دانشمندان کامپیوتر کوانتومی تنها به‌دنبال شکست دادن کامپیوترهای کلاسیک نیستند. هدف آن‌ها ارائه‌ی راه‌حل‌هایی است که در کامپیوترهای کلاسیک دستیابی به آن‌ها دشوارتر است؛ و پژوهشگرها باید نتیجه‌ی کامپیوتر کوانتومی را بررسی کنند که ممکن است کامپیوتر غیرکوانتومی قادر به اجرای آن نباشد. گرام اسمیت، استادیار دانشگاه کلرادو بولدر می‌گوید:

اطمینان دارم به‌زودی به برتری کوانتومی خواهیم رسید اما هنوز سؤالی بی‌پاسخی در مورد چگونگی رسیدن به این هدف وجود دارد و بررسی این مسائل در عمل بسیار دشوار است.

شاید در تمام تلاش‌ها برای دستیابی به برتری کوانتومی متوجه الگویی خاص شده باشید: هیچ‌کس به برتری کوانتومی نرسیده است زیرا دشوار است.

دانشمندان IBM هدف ساده‌تری دارند. آن‌ها به‌دنبال مزیت کوانتومی هستند. تفاوت ظریفی بین برتری کوانتومی و مزیت کوانتومی وجود دارد. برتری کوانتومی به این معنی است که کامپیوتر کوانتومی قادر به اجرای محاسباتی است که کامپیوتر کلاسیک نمی‌تواند آن وظایف را در مدت‌زمانی معقول اجرا کند. مزیت کوانتومی به این معنی است که کامپیوتر کوانتومی می‌تواند در انجام بعضی محاسبات کامپیوتر کلاسیک را شکست دهد، حتی اگر این برتری اندک باشد.

 بعضی پژوهشگرها ازطریق محاسبات ریاضی برتری کامپیوترهای کوانتومی به کامپیوترهای کلاسیک را ثابت می‌کنند؛ اما در شرایط کنونی کامپیوترهای کوانتومی ازنظر محدودیت‌ها مشابه کامپیوترهای کلاسیک هستند؛ یعنی تعداد وظایفی که یک کامپیوتر کوانتومی به‌صورت هم‌زمان می‌تواند اجرا کند اندک هستند؛ زیرا کیوبیت‌ها مدت کمی در شرایط پایدار باقی می‌مانند و خیلی زود دچار فروپاشی می‌شوند.

رسیدن به برتری کوانتومی هدف ایده‌آلی است اما اگر صنعت تنها به‌دنبال الگوریتمی سریع‌تر باشد، آنگاه در مزیت کوانتومی می‌توان زودتر از برتری کوانتومی به کامپیوترهای کوانتومی کاربردی رسید. آرام هارو، استادیار فیزیک MIT می‌گوید:

گوگل و IBM تلاش می‌کنند کامپیوترهای کوانتومی قابل‌برنامه‌ریزی بسازند. گوگل می‌گوید هدف آن برتری است، IBM هدف خود را مزیت کوانتومی می‌داند. البته این دو هدف تفاوت زیادی در سخت‌افزار تولید شده ایجاد نمی‌کنند.

به‌طورکلی در عمل تفاوتی بین برتری کوانتومی و مزیت کوانتومی وجود نخواهد داشت. هر دو منجر به تولید دستگاه‌هایی با خطای کمتر می‌شوند که دانشمندان به آن‌ها NISQ (ماشین‌های کوانتومی مقیاس متوسط نویزدار) می‌گویند. البته این ماشین‌ها هم مانند ماشین‌های کلاسیک با محدودیت‌هایی مثل پایداری اندک کیوبیت‌ها یا تعداد محاسبات اندک کیوبیت قبل از فروپاشی ماهیت کوانتومی روبه‌رو هستند. به‌گفته‌ی مکانا متکالف، پژوهشگر پست دکترا در آزمایشگاه ملی لاورنس برکلی، برتری کوانتومی راه را برای حل مسائل جذاب‌تر هموار خواهد کرد.

از طرفی ساخت کامپیوترهای رمزگشا و دستگاه‌های شبیه‌ساز مولکولی از اهداف قریب‌الوقوع  است. به‌گفته‌ی مکانا،  پیش‌نیاز ساخت این کامپیوترها، افزایش تعداد کیوبیت و افزایش عمق گیت است. کیوبیت‌ها قبل از فروپاشی و از دست دادن پایداری خود باید محاسبات بیشتری را انجام دهند.

به‌طورکلی باید روش‌هایی برای توسعه‌ی مقیاس و اندازه‌ی سیستم‌ها پیدا کرد که البته این کار به‌سادگی قرار دادن آجر روی یک برج لگویی (اسباب‌بازی) نیست. کامپیوترهای کوانتومی به تصحیح خطا یا ذخیره‌سازی اطلاعات یک کیوبیت در چند کیوبیت محصور نیاز دارند تا به‌این‌ترتیب خطاهای احتمالی را تصحیح کنند.

دستگاه‌های عصر NISQ مرزهای فیزیک کوانتومی را کنار خواهند زد و حتی شاید در آینده‌ای نزدیک با اثبات «برتری کوانتومی»، «مزیت کوانتومی» یا حتی فقط «سودمندی کوانتومی» به‌صورت کاربردی مورداستفاده قرار بگیرند. در حال حاضر بررسی‌هایی روی دستگاه‌های کوانتومی در زمینه‌هایی مثل حسگرها و ابزارهای رمزنگاری انجام می‌شود که ممکن است خیلی زود وارد حوزه‌های کاربردی شوند.

خوشبختانه دانشمندان و متخصصان فناوری به‌زودی برتری یا مزیت کوانتومی را ثابت خواهند کرد و کاربردهای کامپیوتری سودمندی را برای آن پیدا خواهند کرد. پرسکیل می‌گوید:

بسته به ابعاد مختلف به‌ویژه جنبه‌های تجاری، شرکت‌ها به سرمایه‌گذاری و ساخت سیستم‌ها می‌پردازند؛ اما اگر نتوانند در طی ۱۰ سال برنامه‌ها و کاربردهای سودمندی تولید کنند چه اتفاقی خواهد افتاد؟ آیا مردم از درک ظرفیت کوانتومی ناامید می‌شوند و خرابی کوانتومی رخ خواهد داد؟

در حال حاضر، دولت ایالات‌متحده برای آموزش دانشمندان و تزریق دانش به این صنعت، بودجه‌ای را به این بخش اختصاص داده است. برتری کوانتومی یکی از چشم‌اندازهای نزدیک فناوری است و بررسی آن به شیوه‌های عمیق و بنیادی ادامه دارد؛ اما شاید اثبات برتری کوانتومی لزوما به‌معنی آمدن کامپیوترهای کوانتومی بر سر میز کاربران نباشد. به‌ویژه وقتی بحث ظرفیت قریب‌الوقوع مطرح می‌شود ابهامات زیادی به وجود می‌آید.

کامپیوترهای کوانتومی نشان می‌دهند علم و فناوری اهداف و دیدگاه‌های متفاوتی برای درک برتری کوانتومی دارند. فناوری می‌تواند به‌معنی رژه‌ای بی‌انتها به سمت محصولی بهتر باشد؛ اما علم،  آهسته‌تر، غیرقابل‌پیش‌بینی و اغلب اوقات دقیق‌تر است؛ زیرا برای نقد و بررسی کامپیوترهای کوانتومی در ابتدا لازم است تمام مبانی آن و چگونگی عملکرد دستگاه‌های جدید را درک کرد.