کامپیوتر کوانتومی هانیول سریع‌ترین رایانش کوانتومی در جهان را انجام می‌دهد

شنبه شرکت هانیول، غول رایانش کامپیوتری، اعلام کرد عملکرد کامپیوتر کوانتومی‌اش را تقویت کرده تا از بهترین کامپیوتر کوانتومی IBM پیشی بگیرد. این دستاورد لقب سریع‌‎ترین کامپیوتر کوانتومی جهان را به کامپیوتر کوانتومی هانویل اعطا می‌کند. کامپیوتر کوانتومی هانیول که H0 نام دارد، از ۶ بیت کوانتومی مؤثر یا همان کوبیت استفاده می‌کند و در آزمونی به‌نام حجم کوانتومی، امتیاز ۶۴ گرفت. در این آزمون، هم کوبیت‌های ماشین، عناصر اساسی در پردازش داده‌ها در کامپیوتر کوانتومی و هم توانایی ماشین در استفاده از این کوبیت‌ها سنجیده می‌شود.

درواقع، آزمون حجم کوانتومی شاخصی از بزرگ‌ترین مدار تصادفی دارای عرض و طول مساوی است که کامپیوتر می‌تواند آن را اجرا کند. این آزمون ترکیبی از ابعاد مختلف عملکرد کامپیوتر کوانتومی شامل انسجام، خطاهای کالیبراسیون، همشنوایی (Crosstalk)، خطاهای ناظر، همان‌دهی دریچه (Gate fidelity)، همان‌دهی اندازه‌گیری و همان‌دهی شروع (Initialization fidelity) و پارامترهای طراحی مثل اتصال‌پذیری و گیت ست (Gate set) است. این مقیاس طوری طراحی شده است که مستقل از هرگونه معماری کامپیوتری کوانتومی باشد تا بتواند هر سیستمی را بسنجد که مدارهای کوانتومی را اجرا می‌کند. میزان این شاخص برای کامپیوتر کوانتومی هانیول از کامپیوتر رالی (Raleigh) بیشتر و برابر با ۶۴ است. کامپیوتر رالی ژانویه آزموده شد و امتیاز ۳۲ گرفت.

در بسیاری از مواقع، کوبیت‌های مؤثر هر سیستم کمتر از کوبیت‌های فیزیکی یا خام آن است؛ زیرا بعضی از کوبیت‌ها به‌دلیل تصحیح خطا از رایانش خارج می‌شوند. باوجوداین به‌گفته‌ی تونی اوتلی، رئیس شاخه‌ی رایانش کوانتومی هانیول، به‌دلیل طراحی فوق‌العاده‌ی کامپیوتر هانیول، هیچ‌یک از کوبیت‌های آن از رایانش خارج نمی‌شوند. اوتلی گفته است:

اکنون به حجم کوانتومی ۶۴ رسیده‌ایم؛ یعنی کامپیوتر ما ۶ کوبیت مؤثر دارد و برخلاف رقبایمان، تنها ۶ کوبیت نیاز داشتیم تا ۶ کوبیت مؤثر داشته باشیم؛ زیرا نه اتصال‌پذیری سیستم و نه همان‌دهی سیستم ما را محدود نمی‌کند. دلیل این امر آن است که کوبیت‌های ما تماما متصل هستند و سیستممان بسیار دقیق عمل می‌کند.

درحال‌حاضر، کامپیوترهای کوانتومی عمدتا پروژه‌های پژوهشی کوچکی هستند و فقط در آزمون برتری کوانتومی در گوگل، از کامپیوترهای کلاسیک عملکرد بهتری دارند. بااین‌حال، انتظار می‌رود کامپیوترهای کوانتومی با اضافه‌شدن کوبیت‌ها به آن‌ها و افزایش دانش پژوهشگران برای حفاظت از آن‌ها درمقابل اختلالات مسبب انحراف محاسبات قدرتمندتر شوند. کارهایی که انتظار می‌رود این کامپیوترها به‌خوبی انجام دهند،‌ عبارت‌اند از: بهینه‌سازی سبدهای سهام و یادگیری ماشین (Machine learning) و طراحی مواد جدید مثل صفحات خورشیدی یا باتری‌ها.

کریستوفر ساوله، مدیر اجرایی شرکت زاپاتا کامپیوتینگ (Zapata Computing)، در گفت‌و‌گویی درباره‌ی کامپیوترهای کوانتومی گفته است: «یافتن حوزه‌ای از فعالیت انسانی که کامپیوترهای کوانتومی به‌کار نیایند، خیلی سخت است.» با استفاده از کامپیوترهای کوانتومی، مدل‌های تغییرات آب‌و‌هوایی دقیق‌تر خواهند بود و کشف دارو سریع‌تر انجام می‌شود و برنامه‌های لجستیکی بهبود می‌یابند. در این حوزه‌ها، شمار متغیرهای بالقوه کارایی کامپیوترهای معمولی را محدود می‌کنند.

ساوله عضوی از رایانش کوانتومی هاروارد است و دکتری علوم کامپیوتر دارد. وقتی این مسیر را در اواخر دهه‌ی ۱۹۸۰ شروع کرد، والدنیش نمی‌خواستند وارد این رشته شود. آن‌ها نگران بودند که کاری برای او پیدا نشود. او می‌گوید از ورود فرزندش به رشته‌ی برنامه‌نویسی کوانتومی کاملا حمایت می‌کند. احتمالا برنامه‌نویسی کوانتومی در آینده، شغل بسیار خوبی خواهد بود.

در ابتدا، تعداد برنامه‌نویسان کوانتومی خیلی کم خواهد بود. تونی اوتلی می‌گوید:

افرادی که می‌دانند چگونه برنامه بنویسند، نظریه‌پرداز نامیده می‌شوند. آن‌ها ترکیبی از فیزیک‌دان و ریاضی‌دان هستند که تنها صدها نفر از آن‌ها در جهان وجود دارد و نه هزاران نفر.

این وضعیت نهایتا تغییر خواهد کرد. ساوله می‌افزاید:

دانشگاه جزیره‌ی رود (Rhode) در رشته‌ی رایانش کوانتومی دانشجو می‌پذیرد. نیازی نیست دکتری بگیرید. دکتری به‌معنی تعداد زیادی نظریه است. فوق‌لیسانس‌ها روی بخش کمی از ریاضی و فیزیک تمرکز دارند.

ساوله حتی به برنامه‌نویس زاپاتا اشاره می‌کند که فقط تا دبیرستان درس خوانده و برنامه‌نویس دیگری که در کنگو زندگی می‌کند و خودآموزی کرده است. وی می‌گوید: «بسیار اهمیت دارد وقتی جوان و منعطف هستید، شروع کنید. در جوانی، آموختن تفکر کوانتومی آسان‌تر است.» این فناوری، فناوری شگفت‌انگیزی است؛ اما با وجود تعداد افراد اندک متخصص در این رشته، آیا نیاز به آن‌ها به‌قدری است که به‌سادگی ارزششان را نشان دهند؟

به‌اعتقاد اوتلی، ضرورتا چنین نیست. او می‌گوید: «باید به داده‌ها و کامپیوتر کوانتومی دسترسی داشته باشید. اگر هر دو را نداشته باشید، راه به جایی نخواهید برد.» نظر اوتلی نشان می‌دهد هنوز در روزهای اولیه‌ی‌ صنعت رایانش کوانتومی قرار داریم؛ اما همانند گذشته، فناوری‌های جدید کارهایی جدید مثل توسعه‌دهندگان اپلیکیشن و برنامه‌نویسان جاوا را ایجاد می‌کنند که در نسل قبلی وجود نداشتند.

واضح است که سهام هانیول هنوز روی اساس کوانتومی معامله نمی‌شود. سهام این شرکت از ابتدای سال تاکنون، ۱۶ درصد افت کرده که از متوسط سقوط سهام قابل‌مقایسه S & P500 و متوسط صنعتی داو جونز بدتر است. هانیول شرکت بزرگ تأمین‌کننده‌ی تجهیزات هوافضا است و صنعت هواپیمایی تجاری به‌دلیل شیوع کووید ۱۹، ضرر زیادی دیده است. برای مثال، سهام بویینگ (BA) از ابتدای سال تاکنون، بیش از ۴۰ درصد سقوط کرده است. از اوایل جمعه به وقت محلی تاکنون، سهام هانویل ثابت و سهام S&P به میزان ۰/۷ درصد افزایش داشته است.    

یکی از مشتریان هانیول، شرکت جی‌‌پی مورگان چیس است که از کامپیوتر هانیول برای انواع مختلف از اپلیکیشن‌های اولیه استفاده می‌کند که پیچیدگی آن‌ها فراتر از توان کامپیوتر الکترونی کلاسیک است. به‌گفته‌ی تونی اوتلی، شرکت جی‌پی مورگان چیس ساعت‌ها به کامپیوتر هانیول دسترسی داشته و علاقه‌ی زیادی به آن نشان داده است. اوتلی به جزئیات این اپلیکیشن‌ها اشاره نکرده؛ ولی گفته است این اپلیکیشن‌ها چیزهایی بسیار شبیه به سرویس‌های مالی شامل تشخیص کلاه‌برداری و به‌کار‌گیری رویکردهای هوش مصنوعی برای راهبردهای تجاری هستند. اوتلی اعتقاد دارد:

کاری که آن‌ها انجام داده‌اند، اساسا شامل چندین آزمون مدار است. آن‌ها توانستند مدارهایی را روی کامپیوتر ما اجرا کنند و نتایج درست بگیرند که نمی‌توانند یا حداقل اینکه بدون گرفتن پاسخ دارای نویز نمی‌توانند روی کامپیوترهای دیگر اجرا کنند.

جی‌پی مورگان چیس بعدازظهر یکشنبه به وقت محلی، مقاله‌ی خود با عنوان «ساخت کانونی اوراکل‌های کوانتومی» را در سرور پیش‌چاپ ژورنال aXiv منتشر کرد. در این مقاله، مشخصا از هانیول و شخص اوتلی برای کمک ارزشمند در اجرای آزمایش‌ها روی کامپیوتر کوانتومی هانیول تشکر شده است. اوتلی از گفتن اسم مشتریان امتناع کرد؛ ولی گفت چندین مشتری با سیستم هانیول روی اپلیکیشن‌هایی کار می‌کنند که در سه دسته جای می‌گیرند: بهینه‌سازی و یادگیری ماشین و شیمی و علوم مواد.

مشتریان یادشده از سیستم هانویل به‌عنوان نوعی هم‌پردازنده برای محاسبات کلاسیک معمولی خود استفاده می‌کنند؛ درست همان‌طور که تراشه‌ی گرافیکی GPU به CPU کمک می‌کند. البته اوتلی نام QPU را روی این کار گذاشته است. اوتلی توضیح داد: «آن‌ها اساسا ۱ تا ۵ درصد از الگوریتم را نوشتند و آن را روی کامپیوتر کوانتومی اجرا کردند تا به نتایج بسیار خاصی برسند و سپس به کامپیوتر کلاسیک بازخورد دهند».  

چندین دهه قبل، شرکت هانیول تولیدکننده‌ی مهم ابررایانه‌های عظیم بود؛ اما سهامش را فروخت و صنعت رایانش را به‌دست دیگران سپرد. در سال‌های اخیر، این شرکت تیمی ۱۲۰ نفره از پژوهشگران در کلورادو و مینسوتا گرد آورده و از تخصص آن‌ها در علم مواد و عملیات صنعتی برای ورود به عرصه رایانش کامپیوتری استفاده کرده است.

به‌گفته‌ی رئیس شاخه‌ی رایانش کوانتومی هانیول، تونی اوتلی، طراحی کنونی هانیول که H0 نامیده می‌شود، با اضافه‌شدن کوبیت‌های بیشتر، از حجم کوانتومی ۶۴ کنونی به ۶۴،۰۰۰ خواهد رسید. اوتلی اعتقاد دارد:

سالن اجتماعات با تعداد زیادی صندلی در نظر بگیرید. ما زیرساختی به‌شکل سالن اجتماعات ساخته‌ایم و به‌مرور‌زمان، صندلی‌‌های آن را پر می‌کنیم. سیستم دیگری که H1 نام دارد، در حال ساخت است تا از ظرفیت H0 فراتر رود.

تعداد کوبیت‌ها در کامپیوتر کوانتومی بسیار مهم است. هرچه تعداد کوبیت‌ها بیشتر باشد، به این معنی است که پژوهشگران می‌توانند مسائل بیشتری با جواب‌های محتمل بیشتر را حل کنند و احتمال کافی‌بودن تعداد آن‌ها برای این افزایش می‌یابد که گروه‌هایی از آن‌ها بتوانند با همدیگر کوبیت مجازی واحد بسازند. کوبیت‌های مجازی امکان انجام محاسبات بسیار پیچیده‌تر را فراهم می‌آورند؛ اما تعداد کوبیت به‌خودی‌خود شاخص ناقصی برای بیان توان عملکردی ماشین است؛ به‌همین‌دلیل، IBM شاخص حجم کوانتمی را مطرح کرده است.

درحال‌حاضر، شرکت IBM با هجده کامپیوتر کوانتومی به قولش درباره‌ی تقویت سالانه‌ی رایانش کوانتومی به‌میزان دوبرابر عمل کرده است. سرپرست پژوهشی IBM، داریو گیل، می‌گوید: «شرکت IBM به رویکرد خودش اطمینان دارد؛ اما هانیول نیز ظرفیت خودش را دارد. بسیار عالی است که هانیول نقشه‌ای بلندپروازانه را دنبال می‌کند.»

طراحی کامپیوترهای کوانتومی هانیول دام یونی نامیده می‌شود که کوبیت‌ها درون آن قرار دارند. هر یون یک اتم است که بار مثبت یا منفی خالص دارد. در اینجا، منظور از تله دستگاه ساختگی مثل تراشه‌ی کامپیوتری است که تقریبا به‌اندازه یک کوارتر است. به دام‌اندازی یون‌ها حوزه‌ی اکتشافی علمی است که دو دهه قدمت دارد. یون‌ها در‌مقایسه‌با دیگر رویکردهای کوانتومی خواص مطلوبی دارند. برای مثال، پایداری نسبی کوبیت ساخته‌شده‌ با آن‌ها به‌لطف زمان انسجام طولانی کوبیت‌ها بسیار زیاد است؛ یعنی دوره‌ا‌ی که در طول آن، تمامی درهم‌تندیگی‌های کوانتومی حفظ می‌شوند.    

گزارش شده هانویل سیستم خود را این‌چنین توصیف کرده است: اتاقک ابرخلأ به‌شکل کُره از جنس استیلِ بدون رنگ به‌اندازه‌ی توپ بسکتبال با سوراخ‌هایی که امکان ورود نور لیزر را فراهم می‌آورند. این اتاقک با هلیوم مایع تا دمای دَه درجه بالاتر از صفر مطلق خنک می‌شود. دام یونی درون اتاقک قرار می‌گیرد. وقتی لیزر به درون سوراخ‌ها می‌تابد و به یون‌های به‌دام‌افتاده برخورد می‌کند، عملیات کوانتومی انجام می‌شوند و کنترل‌کردن آن عملیات مشابه حرکت‌دادن الکترون‌ها درون دریچه‌های ساخته‌شده از ترانزیستورهای سیلیکونی در کامپیوترهای کلاسیک است.

سال گذشته، هانویل در کنفرانس‌های مطبوعاتی و مطالب منتشرشده‌ی رسمی، شامل اعلام مشارکت با مایکروسافت برای دسترسی به این سیستم ازطریق سرویس ابری مایکروسافت آژور، هربار اطلاعات بیشتری از این کامپیوتر را بیرون داده است. آن مشارکت در مرحله‌ی آزمایشی بود و تاکنون مشتری واقعی نداشته است. به‌گفته‌ی اوتلی، این سیستم دارای حجم کوانتومی ۶۴ به‌زودی در آؤور دردسترس خواهد بود و هانیول و مایکروسافت انتظار دارند تا زمان مراجعه‌ی مشتریان در آژور در هفته‌های آینده و بعد از آزمایش‌های نهایی آماده باشند.