انقلاب بعدی دنیای فناوری؛ کامپیوتر کوانتومی در مسیر تجاری‌سازی

محاسبات کوانتومی سال‌ها در انحصار دانشمندان و در شرایط آزمایشگاهی در حال توسعه بوده است؛ اما پیشرفت‌های جدید، این فناوری انقلابی را به سمت کاربردهای عملی سوق می‌دهد. دست‌آوردهایی از جمله سیستم خنک‌کننده قوی‌تر، تراشه‌های پیشرفته‌تر، افزایش ظرفیت پردازش، پیشرفت در فرایند تصحیح خطا و... یادآوری می‌کنند که شاید تا عمومی شدن این نوع کامپیوتر در صنایع و تجارت‌های خاص، کم‌تر از یک دهه فاصله داشته باشیم.

کامپیوترهای مبتنی بر کوانتوم در ‌مقایسه با کامپیوترها و ابرکامپیوترهای سنتی، می‌توانند عملکرد پردازشی به‌مراتب سریع‌تر و دقیق‌تری ارائه بدهند. ایده‌ی اصلی کامپیوتر‌ کوانتومی این است که می‌توان از خواص و قوانین فیزیک کوانتوم برای ذخیره‌سازی و پردازش داده‌ استفاده کرد. این بهبود عملکرد از طریق توانایی داشتن بیش از دو حالت منطقی و انجام دستورالعمل‌های مختلف با استفاده از تمام جایگشت‌های ممکن در یک زمان واحد به دست می‌آید.

در اجلاس محاسبات کوانتومی (Q2B) که هفته‌ی گذشته برگزار شد، چند نفر از مهم‌ترین بازیگران صنعت کامپیوتر کوانتومی از جمله گوگل، IBM، هانی‌ول، IonQ و Xanadu به شرح نقشه‌ی راه خود تا سال ۲۰۲۴ برای بهبود پردازش‌ کوانتومی پرداختند که باعث می‌شود ماشین‌های آن‌ها بیشتر به مسیر عملیاتی و تجاری نزدیک شود. این دستاوردها شامل افزایش مقیاس‌پذیری، عملکرد و قابلیت اطمینان کامپیوتر‌ کوانتومی است.

با استناد به پیش‌بینی جامعه‌ی آماری هایپریون، هزینه‌های بخش خصوصی برای محصولات و خدمات رایانش کوانتومی احتمالا در سال ۲۰۲۴ با جهشی سه برابری به ۸۳۰ میلیون دلار خواهد رسید؛ این رقم در سال ۲۰۱۹ حدود ۲۵۰ میلیون برآورد شده بود. سنت لوید، استاد MIT و یکی از کلیدی‌ترین افراد در پیش‌برد این صنعت، درباره‌ی پتانسیل پردازش‌های کوانتومی می‌گوید: 

ما در اوایل دوره صنعتی محاسبات کوانتومی هستیم. پیشرفت‌های عظیم حاصل از این صنعت را می‌توان با استفاده‌ی اولیه از موتور بخار برای تأمین نیرو در کارخانه‌ها، کشتی‌ها و قطارها مقایسه کرد.

در محاسبات کوانتومی روندی موسوم به «تصحیح خطا» پیشرفتی بسیار مهم و حیاتی محسوب می‌شود؛ زیرا کوچک‌ترین اختلال و خطا در روند محاسبات، می‌تواند کل محاسبات را از بین ببرد. به زبان ساده، تصحیح خطا این امکان را برای کامپیوتر کوانتومی فراهم می‌کند 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 می‌شود. در حقیقت این فرایند برای محافظت از اطلاعات کوانتومی در برابر خطاهای ناشی از عدم انسجام و سایر نویزهای کوانتومی استفاده می‌شود.

تصحیح خطای کوانتومی برای دستیابی به محاسبات کوانتومیِ مقاوم در برابر خطا ضروری است و می‌تواند نه‌تنها با نویز موجود در اطلاعات کوانتومی ذخیره‌شده، بلکه با دروازه‌های کوانتومی و آماده‌سازی و اندازه‌گیری‌های معیوب مقابله کند. به عبارتی دیگر، به‌ دلیل اینکه ایزوله کردن حقیقی سیستم‌های کوانتومی بسیار سخت و دشوار است، سیستم‌های تصحیح خطای محاسبات کوانتومی ایجاد شده‌اند. کیوبیت‌ها، بیت‌ دیجیتال داده نیستند؛ ازاین‌رو نمی‌توان از روش‌های متداول تصحیح خطا، از جمله روش افزونگی سه‌گانه استفاده کرد. 

کیوبیت‌ها به‌راحتی به‌وسیله‌ی نیروهای خارجی آشفته و با اختلال روبه‌رو می‌شوند؛ اما فرایند تصحیح خطا برای غلبه ‌بر ظرافت کیوبیت‌های فردی طراحی شده است. این فرایند به ماشین‌آلات بزرگ‌تر با تعداد بیشتری کیوبیت احتیاج دارد و سازندگان کامپیوتر کوانتومی با سرعت در حال پیشرفت در این زمینه هستند. اگر سازندگان کامپیوتر کوانتومی موفق به افزایش تعداد کیوبیت‌ها شوند، تصحیح خطا می‌تواند به صنعت کمک کند تا وعده‌ی بهبود چشمگیر عملکرد پردازش برای برخی از مشکلات مهم را تحقق بخشد.

اکنون تمامی صاحب‌نظران این صنعت بر این باورند که کامپیوتر کوانتومی، با توجه به مشکلات ساخت و هزینه‌های هنگفت، به‌زودی‌ جایگزین کامپیوتر کلاسیک نخواهد شد؛ اما اعتقاد بر این است که می‌تواند برای طراحی صفحات خورشیدی جدید، کاهش مصرف سوخت هواپیما، سرعت و دقت هوش مصنوعی، بهبود سرمایه‌گذاری مالی و کاهش هزینه‌های تحویل، از مرزها و استانداردهای کنونی فراتر برود.

کامپیوترهای کنونی اطلاعات را به‌صورت بیتِ یک یا صفر (روشن/خاموش) ذخیره می‌کنند و محاسبات را با استفاده از اجزای کوچک پردازش الکترونیکی داده موسوم به «ترانزیستور» انجام می‌دهند. در مقابل، کامپیوترهای کوانتومی با تکیه بر کیوبیت‌ها می‌توانند ترکیبی از یک و صفر را به ‌لطف پدیده فیزیک کوانتومی برهم‌نهی، به‌صورت هم‌زمان ذخیره کنند. افزون‌براین، کیوبیت‌ها می‌توانند با درهم‌تنیدگی (یکی دیگر از پدیده‌های فیزیک کوانتوم) با یکدیگر پیوند ایجاد کنند.

به‌صورت کلی، محاسبات کوانتومی شامل مجموعه‌ای از دستکاری‌ها در حالت‌های کیوبیت می‌شود که به آن گیت منطقی کوانتومی و به دنباله‌ای از گیت‌‎ها، مدار کوانتومی می‌گویند. افزایش دستکاری‌های گیت، این امکان را فراهم می‌کند که مدار عمیق‌تر شود و توانایی محاسبات کوانتومی پیچیده‌تر به ‌ارمغان می‌آورد. افزایش تعداد کیوبیت‌ها مقیاس رایانش قابل انجام را هم به‌طور تصاعدی افزایش می‌دهد. افزودن یک کیوبیت، واحد مقیاس محاسبه‌ی ممکن را دو برابر می‌کند. حال تصور کنید که اضافه کردن دو کیوبیت چهارگانه و... مقیاس محاسبه را چقدر افزایش می‌دهد.

در حال‌ حاضر محققان کوانتوم فقط از تعداد کمی کیوبیت (بیت کوانتومی) بهره می‌گیرند که با استفاده از سیستم‌های کوچک‌تر و با طراحی سفارشی، با مکانیسم‌های پیچیده‌ی کنترل و اتصال احاطه شده‌اند. کاربرد محاسبات کوانتومی برای رفع مشکلات دنیای واقعی، قبل از هر چیز به توانایی مقیاس‌پذیری و کنترل هم‌زمان هزاران کیوبیت، با هماهنگی بسیار بستگی دارد. افزایش تعداد کیوبیت باعث ایجاد موارد دیگری می‌شود که ظرفیت و عملکرد سیستم کوانتومی را به چالش می‌کشند. یکی از این تأثیرات بالقوه می‌تواند کاهش هماهنگی و عملکرد کیوبیت‌ها باشد؛ اما شرکت‌هایی مانند اینتل پیشرفت‌های بسیاری در این زمینه ایجاد کرده‌اند.

این پیشرفت‌ها دانشمندان صنعت یادشده را به هیجان می‌آورد. کامپیوترهای امروزی دارای چند دَه کیوبیت هستند؛ اما سالیان آینده این ماشین‌های پیشرفته این پتانسیل را خواهند داشت که هزاران و سپس میلیون‌ها کیوبیت را در بطن خود جای دهند. سازندگان کامپیوتر کوانتومی در حال کار روی روش‌های مختلف برای ساخت کیوبیت‌ پایدارتر به‌منظور ایجاد پایه‌ی کوانتومی محکم‌تر برای کیوبیت‌ها و نحوه‌ی اتصال آن‌ها هستند تا اختلال‌ احتمالی در محاسبات را از گردونه خارج کنند. در جایی که سازندگان تراشه‌های سیلیکونی مرسوم در یک روش تولید خاص مستقر و محدود شده‌اند، سازندگان کامپیوتر کوانتومی پیوسته در حال جستجوی امکانات مختلف برای کیوبیت‌ها هستند.

گوگل و IBM از مدارهای ابررسانا استفاده می‌کنند که تقریبا در صفر مطلق خنک می‌شوند. از طرف دیگر هانی‌ول طراحی تله‌یونی کیوبیت‌ها را از اتم‌های ایتربیم مجهز به بار الکتریکی تولید می‌کند. کیوبیت‌های اینتل الکترون‌های منفردی هستند که توسط ویژگی مکانیکی کوانتومی چرخش از دیگران متمایز می‌شوند و Xanadu برای کیوبیت‌هایش از فوتون بهره می‌گیرد و پردازنده‌های کوانتومی آن در دمای اتاق کار می‌کنند.

ایجاد یک پایه‌ی کوانتومی قوی بسیار مفید خواهد بود؛ اما تصحیح خطا هنوز به‌عنوان راهی برای غلبه ‌بر مشکلات پیش‌ روی کیوبیت‌ها 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 الگوریتم‌های کوانتوم یا مدار کوانتومی مشخص‌شده عمل می‌کند و بسته به تبدیل واحد، از زمان انسجام کافی برخوردار است تا توسط گیت‌های منطقی کوانتوم قابل استفاده باشد.

یک کیوبیت منطقی می‌تواند به هزار کیوبیت فیزیکی نیاز داشته باشد. برای مثال، محاسبات کوانتومی مهم از جمله الگوریتم‌های Shor که برای شکستن رمزگذاری کنونی استفاده می‌شود، به هزاران کیوبیت منطقی نیاز دارد. کریس مونرو، دانشمند ارشد و بنیان‌گذار مؤسسه‌ی IonQ، در جریان رویداد Q2B گفت امیدوار است رویکرد ابداعی آن‌ها فقط به ۱۳ کیوبیت فیزیکی برای یک کیوبیت منطقی نیاز داشته باشد و به ‌نظر می‌رسد که رویکرد و نظریه‌ی این مؤسسه در حال حرکت به ‌سمت عملی ‌شدن است.

اریک لوسرو که سرویس محاسبات کوانتومی گوگل را اداره می‌کند، کیوبیت‌های منطقی را «کیوبیت‌های تمام‌عیار و همیشگی» می‌نامد. او ادعا می‌کند که گوگل به فناوری کیوبیت منطقی دست یافته است و اولین کیوبیت منطقی را در سال ۲۰۲۳ تولید خواهد کرد و تا پایان دهه (۲۰۳۰) به هزار عدد از آن‌ها  دست خواهد یافت.

با استناد به نقشه‌ی راه IBM، این شرکت در نظر دارد تراشه‌ی Eagle مجهز به ۱۲۷ کیوبیت را در سال آینده‌ی میلادی و پردازنده‌ی Osprey با ۴۳۳ کیوبیت را در سال ۲۰۲۲ آماده‌ی استفاده کند. این در حالی است که قوی‌ترین کامپیوتر کوانتومی آن‌ها موسوم به Hummingbird در حال حاضر از ۶۵ کیوبیت بهره می‌گیرد. گفته می‌شود شرکت یادشده در سال ۲۰۲۳ تراشه‌ی کُندور (Condor) را عملیاتی می‌کند که در بطن خود ۱۱۱۲ کیوبیت جای داده است و نقطه‌ی عطفی در مفیدتر کردن الگوریتم‌های محاسبات کوانتومی محسوب می‌شود.

زانکاردو ورنون، رئیس سخت‌افزار شرکت Xanadu اعلام کرده است که آن‌ها در حال حاضر از تراشه‌ی ۲۴ کیوبیتی بهره می‌گیرند؛ اما انتظار می‌رود امسال یک تراشه‌ی ۴۰ کیوبیتی آن‌ها را در رقابت پردازش‌ کوانتومی همراهی کند. وی پیش‌بینی می‌کند که تعداد کیوبیت باید هر شش تا دوازده ماه دو برابر شود.

محققان مراقب‌اند که از وعده‌های پیشرفت چشم‌پوشی نکنند؛ اما کامپیوتر کوانتومی می‌تواند قبل از ورود به فرایند تصحیح خطا نیز مفید باشد. به‌عنوان مثال، امروزه مشتریان کوانتومی IBM را دَه‌ها شرکت از جمله بوئینگ، جی. پی. مورگان، دایملر، دلتا و... تشکیل داده‌اند. برخی از این مشتریان علاقه‌مند به طراحی مواد درشت‌مولکول هستند که در واقع یکی از اولین ایده‌های ریچارد فاینمن در رابطه با کارایی کامپیوتر کوانتومی است.

با استفاده از پردازش‌ کوانتومی می‌توان امید داشت که در سال‌های آینده، به موفقیت‌هایی 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 اعلام کرد که غول هوافضای اروپایی برنامه‌ی گسترده‌ای برای بهره‌گیری از پردازش‌های کوانتومی دارد. او می‌گوید:

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

هانی‌ول 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 به‌عنوان مدیر و رئیس اجرایی اسبق گوگل، یکی دیگر از سرشناس‌ترین 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 می‌تواند حداقل برای یک کار سخت محاسباتی محدود (البته نه عملی)، به‌راحتی از کامپیوتر کلاسیک پیشی بگیرد. اشمیت می‌گوید: 

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

با این اوصاف غول‌های تکنولوژی مانند اینتل و IBM و گوگل و... برای دستیابی به برتری کوانتومی، به‌سختی در حال رقابت هستند؛ زیرا بر این باورند که این فناوری آینده‌ی صنعت را شکل خواهد داد و شواهد نشان می‌دهد که سال‌های آینده اخبار زیادی از تجاری‌سازی این فناوری بسیار مهم منتشر خواهد شد.

دیدگاه شما کاربران زومیت درباره‌ی کامپیوتر کوانتومی و تأثیر آن در آینده‌ی صنایع چیست؟