IBM در حال ساخت قوی‌ترین کامپیوتر کوانتومی و پیشرفته‌ترین یخچال دنیا است

به گزارش خبرگزاری دیجیتال‌ترندز، IBM به‌عنوان یکی از قدیمی‌ترین شرکت‌های حوزه‌ی فناوری، در حال ساخت یخچال است. این مسئله بی‌سابقه نیست؛ زیرا سایر شرکت‌های فناوری از جمله سامسونگ و ال‌جی هرساله دَه‌ها یخچال را با انبوهی از تکنولوژی‌های جدید برای مصارف خانگی تولید و عرضه می‌کنند؛ اما یخچال IBM که هنوز در حال توسعه است، بسیار متفاوت خواهد بود.

یخچال یادشده با ابعاد غول‌پیکر ۱۰ فوت ارتفاع (۳٫۱ متر) و ۶ فوت عرض (۱٫۸ متر)، به طرز غیر قابل تصوری سرد خواهد بود و می‌تواند سرمایی بالغ بر ۱۵ میلی‌کلوین (منفی ۴۵۹ درجه‌ی فارنهایت - منفی ۲۵۸ درجه‌ی سلسیوس) تولید کند؛ دمایی که سردتر از فضای خارج از جو زمین است. این یخچال با الهام از یک فیلم جیمز باند، Goldeneye نام‌گذاری شده و بزرگ‌ترین تفاوت آن با یخچال آشپزخانه، محتوای برنامه‌ریزی‌شده‌ی آن است. از یخچال یادشده نباید انتظار داشت که مواد غذایی را نگه‌داری کند؛ در عوض، قرار است اولین کامپیوتر کوانتومی یک میلیون کیوبیتی جهان را در بطن خود جای دهد.

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. افزون بر این، کیوبیت‌ها می‌توانند با درهم‌تنیدگی (یکی دیگر از پدیده‌های فیزیک کوانتوم) با یکدیگر پیوند ایجاد کنند.

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 در اثر افزایش گرما باشد.

درست مانند پردازنده‌های معمولی، کامپیوتر کوانتومی به مکانیزم خنک‌کننده، البته با مقیاس بسیار گسترده‌تر نیاز دارد. در آینده ممکن است هزاران یا حتی میلیون‌ها کیوبیت منطقی به‌طور هم‌زمان در محاسبات استفاده شوند و برای به دست آوردن نتیجه‌ی صحیح، هر کیوبیت باید در ابتدای محاسبه مجددا تنظیم شود. اگر کیوبیت‌ها خیلی گرم باشند، نمی‌توان آن‌ها را مقداردهی اولیه کرد؛ زیرا آن‌ها بیش از حد بین حالت‌های مختلف جابه‌جا می‌شوند؛ از این‌رو، اکثر سیستم‌های محاسبات کوانتومی فقط در دمای صفر مطلق و نزدیک به انجماد کار می‌کنند.

جری چو، مدیر توسعه‌ی سخت‌افزار کوانتومی IBM، می‌گوید برای ظهور اثرات کوانتومی، سیستم‌ها باید در دمای بسیار پایین خنک شوند. این امر IBM را بر آن داشته است که خود توسعه‌ی سیستم خنک‌کننده کامپیوتر کوانتومی‌ را بر عهده گیرد و محدودیت‌های یخچال‌های کنونی در مقیاس کوانتومی را از بین ببرد. در حال‌ حاضر حفظ یکپارچگی خلأ و متعادل‌سازی وزن اجزای مختلف مورد نیاز برای سرد کردن، مواردی هستند که باید اصلاح و محدودیت‌های ناشی از آن‌ها برطرف شود.

آلن کی،  دانشمند حوزه‌ی کامپیوتر، بر این باور است که شرکت‌های نرم‌افزاری باید سخت‌افزار خود را بسازند. شاید معادل کوانتومی گفته‌ی او این باشد که شرکت‌های مبتنی بر محاسبات کوانتومی باید نه‌تنها کامپیوتر کوانتومی، بلکه یخچال مخصوص را برای خنک‌سازی آن سخت‌افزار توسعه دهند. شواهد نشان می‌دهد که یخچال در حال توسعه‌ی IBM می‌تواند در نوع خود کاملا پیشتاز و شایسته‌ی لقب پیشرفته‌ترین یخچال جهان باشد؛ زیرا می‌تواند یک کامپیوتر کوانتومی یک میلیون کیوبیتی را در خود جای دهد؛ به ‌شرطی که IBM بتواند آن را طبق برنامه‌ریزی خود بسازد.

مبانی اصلی کامپیوتر کوانتومی به حدود چهار دهه پیش و نظریه‌ی ساخت کامپیوتر کلاسیک با برخی از اِلِمان‌های مکانیک کوانتوم، به وسیله‌ی فیزیک‌دان آمریکایی، پائول بنی‌اُف (Paul Benioff) بازمی‌گردد و در طی سال‌ها، افراد زیادی به تحقیق‌وتوسعه و نظریه‌پردازی در این باره پرداخته‌اند؛ اما عده‌ای از جامعه‌ی علمی بر این باورند که دیوید دویچ، اولین انگیزه و بنیاد تحقیق در مورد کامپیوتر کوانتومی را پایه‌گذاری کرده است.

افرادی همچون ریچارد فاینمن، دیوید دویچ و یوری مانین در سلسله‌مراتب تحقیقات خود به ایده‌ی مدل مکانیکی کوانتومی از یک ماشین تورینگ دست یافتند که نشان می‌داد از یک رایانه‌ی کوانتومی می‌توان برای شبیه‌سازی چیزهایی استفاده کرد که به‌سادگی نمی‌توان آن‌ها را از طریق کامپیوتر کلاسیک و با استفاده از فیزیک کلاسیک شبیه‌سازی کرد. برای مثال، در سال ۱۹۹۴ دان سیمون در نظریه‌ای نشان داد که یک کامپیوتر کوانتومی می‌تواند از نظر نمایی سریع‌تر از یک رایانه کلاسیک باشد.

همان‌طور که گفته شد، یکی از تفاوت‌های بزرگ کامپیوترهای سنتی و کوانتومی به مفهوم برهم‌نهی مربوط می‌شود. یک کامپیوتر کلاسیک می‌تواند مبتنی بر حالت A یا B (یا در اصطلاح باینری، یک یا صفر) باشد؛ درحالی‌که کامپیوتر کوانتومی می‌تواند از ترکیب این دو هم استفاده کند؛ در واقع به‌نوعی نظریه‌ی گربه شرودینگر را یادآوری می‌کند. براساس این نظریه‌، گربه درون یک جعبه تا وقتی که درِ آن را باز نکنیم، می‌تواند به‌طور هم‌زمان زنده یا مرده یا هر دو (زنده و مرده) باشد. سپس مفاهیم دیگری مانند فروپاشی، عدم اطمینان و درهم‌تنیدگی وجود دارد که کامپیوترهای کوانتومی را بسیار متفاوت از کامپیوترهای کنونی که با آن‌ها بزرگ شده‌ایم، می‌کند.

به همان روشی که یک کامپیوتر کلاسیک با بیت‌ها کار می‌کند، رایانه‌های کوانتومی با کیوبیت کار می‌کنند. در حال حاضر IBM در قدرتمند‌ترین کامپیوتر کوانتومی‌اش موسوم به Hummingbird، از ۶۵ کیوبیت بهره می‌گیرد؛ اما با استناد به نقشه‌ی راه آبی بزرگ، 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.

افزون بر این، 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 و در نهایت، IBM بعد از مدتی نامعلوم قصد دارد کامپیوتر یک میلیون کیوبیتی خود را به بهره‌برداری برساند. جهش از ۶۵ کیوبیت به یک میلیون کیوبیت کاملا چشمگیر خواهد بود؛ اما در دنیای محاسبات (حتی محاسبات کلاسیک)، جهش‌های چشمگیر روی کاغذ بسیار خوب به نظر می‌رسند.

برای مثال، قانون مور می‌گوید تعداد ترانزیستورهایی که می‌توانند روی صفحه‌ی مدار منطقی قرار بگیرند، تقریبا هر دو سال دو برابر می‌شوند. نزدیک‌ترین اصل کوانتوم به قانون مور، همان است که از آن به‌عنوان قانون رُز (Rose) یاد می‌شود که به‌وسیله‌ی جوردی رُز در سال ۲۰۰۲ تدوین شده است. قانون یادشده بیان می‌کند که تعداد کیوبیت‌های یک کامپیوتر کوانتومی هر دو سال دو برابر می‌شود. در مقیاسه با قانون مور، مسلما مفاهیم قانون رُز عمیق‌تر هستند؛ زیرا در هر بخش، برهم‌نهی کوانتومی قدرت بسیار بیشتری در مقیاسه‌ با بیت‌های باینری در ترانزیستورها به ارمغان می‌آورد.

ازآنجاکه «بیشتر» همیشه برابر با مفهوم «بهتر» نیست، IBM برای سنجش عملکرد توانایی‌ کامپیوتر کوانتومی و اندازه‌گیری خطا، از معیاری که آن را حجم کوانتومی می‌نامد، بهره می‌گیرد. این فرایند فقط مقیاس‌گذاری تعداد فیزیکی کیوبیت‌ها مربوط نمی‌شود؛ بلکه تعداد کیوبیت‌ها و عملکرد آن‌ها را در بر دارد. قبل از اینکه کیوبیت‌ها با اختلال روبه‌رو شوند و اطلاعات کوانتومی کاربران از بین برود، حجم کوانتومی می‌تواند تشخیص بدهد چه مقدار از حجم مدار را می‌توان روی سخت‌افزار اعمال کرد.

نیلز بور، یکی از چهره‌های بنیان‌گذار مکانیک کوانتوم، بر این باور بود که همه پدیده‌هایی که ما آن‌ها را «واقعی» می‌دانیم، از بخش‌هایی ساخته شده است که نمی‌توان آن‌ها را واقعی دانست. حال با استناد به اصل برهم‌نهی کوانتومی و اصل شرودینگر، ممکن است کامپیوترهای کوانتومی هم‌اکنون در دنیای عجیب و ناشناخته‌ی ما وجود داشته باشند و درعین ‌حال وجود نداشته باشند.

آبی بزرگ (IBM) تنها یکی از بازیگران صنعت کامپیوتر کوانتومی محسوب می‌شود. شرکت‌هایی از جمله اینتل، گوگل، بایدو، هانی‌ول و آمازون نام‌های بزرگ دیگری هستند که هر کدام، می‌کوشد تا به برتری کوانتومی دست یابد. جدای از این، الگوریتم‌های کوانتوم نیز وجود دارند؛ اما در حال حاضر، به‌صورت مؤثر نمی‌توانند روی کامپیوتر کوانتومی اجرا شوند.

با وجود اثبات مفاهیم و دلایل هیجان‌انگیز رایانش کوانتومی، منصفانه است که بگوییم جهان به این زودی‌ قادر به پذیرش این تکنولوژی نخواهد بود و به پتانسیل و قدرت عظیم رایانش کوانتومی نزدیک نشده است. جری چو معتقد است که آنچه محاسبات کوانتومی از نظر کاربردهای واقعی در بر دارند، هنوز کاملا مشخص و قابل ‌دسترس نیستند و برخی از جالب‌ترین موارد استفاده از این تکنولوژی همچون شیمی محاسباتی، مدل‌سازی مالی، امنیت سایبری و ارز رمزنگاری‌شده یا پیش‌بینی‌های پیشرفته فعلا در هاله‌ای از ابهام باقی مانده است.

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. شرکت IBM به‌عنوان یکی از بزرگ‌ترین و قدیمی‌ترین بازیگران صنعت‌های نوظهور با انبوهی از افتخارات صنعتی، سرمایه‌گذاری هنگفتی روی سه تکنولوژی آینده‌ساز انجام داده است.

رئیس بخش سخت‌افزار کوانتومی IBM اذعان می‌کند که تمرکز این شرکت بر نحوه‌ی ارائه‌ی آینده محاسبات است و کوانتوم بخشی اجتناب‌ناپذیر از آینده خواهد بود. محاسبات کوانتومی یکی از سه شرط‌بندی بزرگ IBM برای آینده محسوب می‌شود. این سه‌ضلعی فناوری، شامل رایانش کوانتومی، هوش مصنوعی و رایانش اَبری (Cloud Computing) می‌شود. به‌نوعی می‌توان گفت هر سه حوزه‌ی یادشده با یکدیگر مرتبط هستند و پیشرفت در یکی از آن‌ها می‌تواند دیگری را درگیر کند.

به‌عنوان مثال، کوانتوم می‌تواند یک تغییردهنده بازی برای هوش مصنوعی (AI) باشد. شکی نیست که هوش مصنوعی و به‌طور خاص، یادگیری ماشین با استفاده از معماری کلاسیک محاسبات از پیشرفت‌های شگفت‌انگیزی برخوردار بوده‌اند؛ اما رایانش کوانتومی می‌تواند سرعت این پیشرفت را به‌طرز چشمگیری افزایش دهد. نسخه‌های کوانتومی الگوریتم‌های یادگیری ماشین فعلی (یا به احتمال زیاد، گزینه‌های کاملا جدید و بسیار سریع‌تر) قادر به انجام پردازش‌های هوش مصنوعی عظیم داده محور هستند که پردازش محاسبات با سرعت بسیار بیشتر را فراهم می‌کند.

آن‌ها قادر خواهند بود حجم خیره‌کننده‌ای از داده‌ را کنترل و آن‌ را در فضای بزرگ کوانتومی ترسیم کنند. علاوه بر این، با بهره‌گیری از درهم‌تنیدگی کوانتومی می‌توان برای کشف الگوهای تازه‌ای استفاده کرد که با محاسبات کلاسیک امکان‌پذیر نخواهد بود. همچنین پردازش‌های اَبری بخشی اساسی از شرط‌بندی کوانتومی IBM را تشکیل داده است. به‌طور کلی، پیشرفت رایج کامپیوترهای کلاسیک انتقال از بزرگ‌رایانه‌ها به مینی‌کامپیوترها و درنهایت، شکل‌گیری رایانه‌ی شخصی مربوط می‌شود.

در دهه‌ی ۱۹۵۰ مردم فقط در اتاق‌های بزرگ مجهز به سیستم تهویه‌ی مناسب، به کامپیوترهای غول‌آسا دسترسی داشتند. در اواخر دهه‌ی ۷۰ تا ۸۰ میلادی، مردم به واسطه‌ی انقلاب ریزرایانه‌ها در خانه‌های خود از وجود کامپیوتر بهره‌مند شدند و تا دهه‌ی ۹۰ مردم از  لپ‌تاپ‌هایی بهره می‌بردند که می‌توانستند آن را در کیف خود حمل کنند. اکنون ما رایانه‌هایی به شکل گوشی‌ هوشمند در جیب‌ خود حمل می‌کنیم که هزاران برابر از کامپیوترهای اولیه سریع‌تر هستند. رئیس سخت‌افزار IBM در این باره می‌گوید:

بعید به نظر می‌رسد که کامپیوتر کوانتومی با توجه به شرایط مورد نیاز مانند سیستم خنک‌کننده‌ی قوی، همان تغییر فرم و عمومی شدن کامپیوتر کلاسیک را تجربه کند. از نظر داشتن یک کامپیوتر کوانتومی فیزیکی روی میز کاربران ممکن است اشتباه کنم؛ اما برای من روشن نیست که چنین خواهد شد. بیشترِ سیستم‌های کوانتومی چه یک سیستم ابررسانا باشد و چه یون‌های محبوس‎شده، به سطح بالایی از انسجام کوانتومی نیاز خواهند داشت. همچنین برای نگه‌داری از آن‌ها به زیرساخت مناسبی احتیاج خواهد بود؛ به‌خصوص هنگامی که مقیاس را افزایش دهید.

این دقیقا جایی است که رایانش اَبری به‌عنوان عنصری دیگر وارد میدان می‌‌شود. رایانش ابری به این معنی است که کاربران بدون درنظرگرفتن سخت‌افزار فیزیکی، به قابلیت‌های اَبَرکامپیوترها دسترسی خواهند داشت. چو می‌گوید:

قدرت محاسبات یا ذخیره‌سازی دیگر مانند ۲۰ سال پیش به سخت‌افزار روی میز شما محدود نمی‌شود. امروزه کارهای زیادی با استفاده از رایانش ابری انجام می‌شود و مردم حتی متوجه آن نمی‌شوند. مردم چند بار متوجه می‌شوند که چه چیزی در لپ‌تاپ یا گوشی آن‌ها پردازش می‌شود یا نمی‌شود؟ به این ترتیب پردازش‌های اَبری و کوانتومی در راستای یکدیگر قرار خواهند گرفت.

در ماه می ۲۰۱۶ (اردیبهشت ۱۳۹۵)، IBM پلتفرم کوانتوم اَبری IBM Quantum Experience مجهز به یک پردازنده کوانتومی پنج کیوبیتی و شبیه‌ساز تطبیقی را راه‌اندازی کرد که در آن کیوبیت‌ها به شکل یک ستاره به یکدیگر متصل شده بودند. به ‌دنبال آن کوانتوم کامپوزر با مجموعه‌ی محدودی از گیت‌های دو کیوبیتی برای فعالیت کاربران و یک راهنمای کاربری منتشر شد که برای استفاده از آن نیاز به پیش‌زمینه‌ای در جبر خطی بود.

این پلتفرم به کاربران امکان می‌دهد آزمایش‌های خود را روی یک سیستم رایانه‌ای کوانتومی انجام دهند. تا به امروز IBM بالغ بر ۳۲ پردازنده‌ی کوانتومی را برای پردازش‌ اَبری مستقر کرده است و بیش از ۲۸۰ هزار کاربر را در سراسر جهان میزبانی می‌کند. به عبارتی دیگر، با پیشرفت روزافزون سخت‌افزار کامپیوتر کوانتومی، کاربران می‌توانند با استفاده از سرویس‌های مبتنی بر کلاد از آن بهره‌مند شوند. چو می‌گوید:

شما با مشکلاتی رو‌به‌رو خواهید شد که به‌طور طبیعی با استفاده از بهترین تکنیک‌هایی که در رایانه‌های سنتی می‌شناسیم حل می‌شوند؛ اما برخی مشکلات وجود دارد که حل آن‌ها حتی با سیستم‌های محاسباتی پیشرفته امروزی نیز بسیار پیچیده و ناممکن به نظر می‌رسد؛ درحالی‌که این مشکلات ممکن است برای رایانه‌های کوانتومی بسیار ساده باشد. نه، شما به‌زودی نرم‌افزار اکسل خود را روی کامپیوتر کوانتومی اجرا نمی‌کنید؛ زیرا کامپیوترهای کلاسیک می‌توانند اکسل را به‌خوبی اجرا کنند؛ اما بخش‌هایی از جمله رمزگذاری، یادگیری ماشین و... قطعا می‌توانند از قابلیت‌های کوانتومی بهره بگیرند.

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 و نمونه‌های غیر منتظره جالب‌تر دست یافت. به‌عنوان مثال جیمز ووتون، یکی از مهندسان IBM، از رایانش کوانتومی برای تولید زمین‌های تصادفی در گیمینگ استفاده می‌کند. آیا تا به حال بازی کامپیوتری دیده‌اید که در هر بار اجرا، به شکل غیر قابل تصوری کاملا خود را تغییر بدهد؟ پاسخ، قدرت کوانتوم است. چو اذعان می‌کند که می‌توان از ترکیب مدل محاسبات کوانتومی مبتنی بر کلاد و کامپیوتر کلاسیک استفاده کرد. او در این باره می‌گوید:

[فرض کنید] با مشکل کاری مواجه شده‌اید که برای حل آن به یک کامپیوتر نیاز خواهید داشت. قسمتی از پردازش اطلاعات به‌صورت هیبریدی می‌تواند به یک رایانه کلاسیک و سایر قسمت‌ها به یک رایانه کوانتومی منتقل شود و در نهایت با ترکیب این دو، راه ‌حل ارائه می‌شود. این چشم‌اندازی است که می‌توانید آن را برای آینده تصور کنید. کوانتوم جایگزینی برای رایانه‌ی کلاسیک نیست؛ اما مطمئنا به یکدیگر نزدیک خواهند شد.

IBM مشخص نکرده است که دقیقا کامپیوتر یک میلیون کیوبیتی را چه زمانی به بهره‌برداری خواهد رساند. همچنین شرکت مذکور هنوز بازه‌ی زمانی مشخصی برای یخچال Goldeneye در نظر نگرفته؛ اما این اعتقاد به‌وضوح وجود دارد که محاسبات کوانتومی تغییردهنده‌ی آینده‌ی صنایع و انقلاب بعدی پردازش محاسباتی خواهند بود. در پستی که اوایل سال جاری برای وبلاگ IBM نوشته شد، جی گمبتا، عضو و معاون رئیس محاسبات کوانتومی IBM، نسل بعدی رایانه‌های کوانتومی این شرکت را به مأموریت فضاپیمای آپولو که منجر به فرود آمدن روی ماه شد، تشبیه کرد.

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 ظاهرا صبر کردن برای تکنولوژی ارزشش را خواهد داشت.

دیدگاه شما کاربران زومیت درباره‌ی کامپیوتر کوانتومی چیست؟