داستان شرط‌بندی دو دانشمند بر سر دستاورد بزرگ رایانش کوانتومی

دو دانشمند رایانش کوانتومی در ماه فوریه در حساب کاربری توییتر با یکدیگر شرط‌بندی کردند. جاناتان داولینگ از دانشگاه ایالتی لوئیزیانا و جان پرسکیل از دانشگاه کلتک، بر سر یک پیتزا و یک نوشیدنی شرط بستند. موضوع شرط‌بندی آن‌ها، توانایی یا عدم توانایی بشر در رسیدن به یکی از بزرگ‌ترین آرزوهای دنیای فزیک است: رایانش کوانتومی توپولوژیکی. پرسکیل می‌گوید اتفاق رخ می‌دهد و داولینگ با او مخالفت می‌کند. داولینگ پیشنهاد شرط‌بندی را مطرح کرد و پرسکیل به‌سرعت آن را پذیرفت. آن‌ها از مدت‌ها پیش بحث و مناظره‌های متعددی پیرامون موضوع مطرح‌شده داشته‌اند.

اکثر مردم، درک زیادی از موضوع شرط‌بندی دو دانشمند ندارند و حتی شاید عبارت رایانش کوانتومی را هم نشنیده باشند، چه برسد به رایانش کوانتومی توپولوژیکی. البته دانشمندان و متخصصان از دهه‌ها پیش روی این موضوع کار کرده‌اند و ساختن کامپیوتر مذکور را دستاوردی بزرگ برای علم فیزیک و رایانش می‌دانند. پروژه‌های مرتبط با چنین کامپیوتر کوانتومی، ابتدا در محیط‌های دانشگاهی و آزمایشگاهی شروع شد و سپس،‌ مایکروسافت آن‌ها را ادامه داد. ردموندی‌ها اکنون مشغول توسعه‌ی فناوری برای ساختن کامپیوتر مذکور هستند.

پرسکیل، مفهوم رایانش کوانتومی توپولوژیکی را زیبا و ظریف می‌داند. درواقع دانشمندان از سال‌ها پیش از چنین کلماتی برای توصیف مفهوم استفاده می‌کنند. در سال ۱۹۹۷، دانشمند روسی آمریکایی به‌نام الکسی کیاتف مفهوم رایانش کوانتومی توپولوژیکی را مطرح کرد. یک کامپیوتر کوانتومی توپولوژیکی اطلاعات را در خوشه‌های الکترونی نمایش می‌دهد که با اصطلاح آنیون (از شبه‌ذرات کوانتومی) شناخته می‌شوند. نظریه‌ ادعا می‌کند که این خوشه‌ها به‌نوعی تاریخچه‌ی حرکت خود را مانند حافظه در داخل ماده حفظ می‌کنند و کامپیوتر، توانایی رمزگشایی اطلاعات را دارد. به‌عنوان مثال، در یک جفت آنیون، عدد صفر احتمالا نشان‌دهنده‌ی جابه‌جایی موقعیت یک آنیون با آنیون سمت راست باشد. طبق همین مثال، عدد یک نشان‌دهنده‌ی جابه‌جایی آنیون سمت راست با سمت چپ خواهد بود.

فیزیک‌دان‌ها، جابه‌جایی موقعیت آنیون‌ها را با بافتن تارهای مو شبیه می‌دانند. اطلاعات ارائه‌شده در ساختار مذکور، به این حقیقت بستگی دارد که کدام رشته، در بافت جدید در موقعیت بالایی قرار داشته باشد. درواقع مشخصات فیزیکی خود رشته دیگر در حالت بافت اهمیت ندارد. اطلاعاتی که با ساختار بافتی ارائه شود، برخلاق رایانش کوانتومی مرسوم، به‌راحتی قابل تغییر نخواهد بود. به‌علاوه، بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت‌های نیز نسبت به کیوبیت‌های مبتنی بر خصوصیات فیزیکی سوژه، خطای کمتری خواهند داشت.

مدارهای ابرهادی که در کامپیوترهای کوانتومی موجود همچون محصولات گوگل و IBM استفاده می‌شوند، از کیوبیت‌هایی مبتنی بر خصوصیات فیزیکی ماده بهره می‌برند. وقتی الگوریتم‌های پیچیده با این کامپیوترها اجرا می‌شود، یک مدار می‌تواند خصوصیات همسایه‌ی خود را تغییر دهد و درنهایت موجب ایجاد خطا شود. محققان درحال‌ حاضر هیچ راهکاری برای حل این خطاها ندارند. کامپیوترهای کوانتومی توپولوژیکی درمقابل چنین انواعی از خطا، ایمن هستند.

رایانش کوانتومی کوانتومی توپولوژیکی از حوزه‌ای در هندسه به‌نام توپولوژی بهره می‌برد. توپولوژیست‌ها، خصوصیات اجسامی را مطالعه می‌کنند که باوجود تغییر شکل، خصوصیات ثابتی از خود نشان می‌دهند. به‌عنوان مثال تصور کنید که یک تکه گل رس به یک دونات تغییر شکل دهد. سپس می‌توان همین دونات را بدون اضافه و کم کردن گل، به‌صورت یک لیوان تغییر شکل داد. درنهایت، دونات و لیوان در این مثال، از لحاظ توپولوژیکی مشابه هستند.

کیوبیت‌های توپولوژیکی طبق همان اصولی که در بالا گفتیم، تا زمانی‌که وضعیت توپولوژییکی خود را حفظ کنند، توانایی حفظ اطلاعات ذخیره‌شده را خواهند داشت. درنتیجه می‌توان کیوبیت را تغییر شکل داد و شبیه به تفاوت دونات و لیوان در مثال بالا، باز هم کیوبیت ثابت خواهد بود. طرفداران نظریه اعتقاد دارند چنین ماشینی در برابر خطاهای رایانشی که در کامپیوترهای کوانتومی امروزی وجود دارد، مقاوم هواهد بود. البته آن‌ها ابتدا باید روشی برای ساختن چنین کامپیوتری پیدا کنند.

پرسکیل در سال ۱۹۹۷ و طی دیداری که با کیاتف داشت با مفهوم رایانش کوانتومی توپولوژیکی آشنا و به‌سرعت به آن علاقه‌‌مند شد. دانشمندان قبلا تصور می‌کردند که برای رفع خطاهای سیستم رایانش کوانتومی باید راهکاری نرم‌افزاری برای رفع خطاها پیاده‌سازی کرد. هنوز بسیاری از محققان مشغول توسعه‌ی همین راهکارها و الگوریتم‌ها هستند. کیاتف که اکنون در کلتک و در کنار پرسکیل فعالیت می‌کند، سیستمی پیشنهاد داد تا بتوان بدون نیاز به راهکارهای نرم‌افزاری مکمل، به‌کمک خود سخت‌افزار، خطاها را کاهش داد. ماشین او از کیوبیت‌هایی استفاده می‌کند که قابلیت کشیده شدن و تغییر شکل دادن را دارند و باز هم اطلاعات را حفظ می‌کنند.

داولینگ در مقابل پرسکیل و همکارانش قرار دارد و می‌گوید طرفداران نظریه باید باز هم ایده‌ها و تصورات خود را مرور کنند. او می‌گوید افرادی همچون پرسکیل، شیفته‌ی زیبایی ریاضیات شده‌اند. داولینگ نظریه‌ی رایانش کوانتومی توپولوژیکی را با نظریه‌ی ریسمان مشابه می‌داند که زمانی با ادعای اتحاد تمامی قوانین فیزیک به شهرت رسید، اما به‌خاطر عدم امکان در اثبات با آزمایش‌های عملی، از بین رفت. البته پرسکیل در مخالفت با داولینگ می‌گوید که قطعا به‌خاطر زیبایی ریاضیاتی به نظریه جذب شده است و اشکالی در آن نمی‌بیند.

از میان عبارت‌هایی که توسط پرسکیل به دنیای کوانتوم معرفی شد، می‌توان NISQ را نام برد که محققان دیگر هم از آن استفاده می‌کنند. این عبارت، درواقع مخفف Noisy Intermediate-Scale Quantum است و وضعیت کنونی کامپیوترهای کوانتومی را شرح می‌دهد. پرسکیل همچنین به‌عنوان ابداع‌کننده‌ی اصطلاح «برتری کوانتومی (Quantum Supremacy)» هم شناخته می‌شود. برتری کوانتومی به بیان ساده یعنی انجام یک وظیفه در کامپیوتر کوانتومی که کامپیوترهای سنتی از انجام آن عاجز باشند. گوگل در سال ۲۰۱۹ ادعای رسیدن به برتری کوانتومی را مطرح کرد، اما انتقادها و بحث‌های متعددی پیرامون ادعای آن‌ها شکل گرفت. به‌علاوه، بسیاری از منتقدان، اصطلاح برتری کوانتومی را به‌خاطر شباهت با عبارت نژادپرستانه‌ی White Supremacy، توهین‌آمیز می‌دانند که پرسکیل از آن ابراز ناراحتی می‌کند. او برای برطرف شدن نگرانی‌ها، عبارت Quantum Computational Supremacy را مطرح کرد.

داولینگ در اظهارنظرها پیرامون علم کوانتوم، فردی همیشه منتقد و ناراضی و حتی ترول نامیده می‌شود. او در توییتر در پاسخ به اکثر نظریه‌های فیزیکی واکنش نشان می‌دهد و برخی اوقات رفتاری بسیار تند دارد. داولینگ با اظهارنظرهایی خلاصه همچون «صحیح»، «غلط»، «موج خبری» و غیره، نظریه‌های علمی را به چالش می‌کشد. او حتی برخی اوقات از عبارت «حتی غلط هم نیست» استفاده می‌کند که ظاهرا بزرگ‌ترین توهین در میان فیزیک‌دان‌ها است. به‌هرحال پرسکیل، داولینگ را فردی صریح می‌داند که عموما نظریه‌‌های دیگران را در رابطه با علم کوانتوم نقد می‌کند.

پرسکیل و داولینگ تاکنون در شرط‌بندی‌های متعدد علمی حضور داشته‌اند. پرسکیل در مشهورترین شرط‌بندی، با دانشمند فقید، استیون هاوکینگ رقابت کرد. او اعتقاد داشت که اطلاعات مرتبط با اجسام بلعیده‌شده توسط سیاهچاله، قابل بازیابی هستند و هاوکینگ، مخالف بود. درنهایت هاوکینگ در سال ۲۰۰۴ ادعای پرسکیل را پذیرفت و شرط را به او باخت.

داولینگ در شرط‌بندی‌های خود اهداف عملی را در نظر می‌گیرد. او در سال ۱۹۹۹ با یک مأمور NSA شرط بست که تا ۱۰ سال بعد، کامپیوتر کوانتومی کاربردی برای سازمان، ساخته خواهد شد. او در آن زمان در دفتر تحقیقات ارتش ایالات متحده کار می‌کرد. سال ۲۰۰۹ رسید و داولینگ شرط را باخت. البته او اعتقاد دارد شرط‌بندی مذکور، هدف دیگری داشت که محقق شد. او می‌گوید شرط‌بندی باعث شد که سرمایه‌گذاری تحقیقاتی در حوزه‌ی رایانش کوانتومی افزایش پیدا کند:

وقتی مدیران آن مأمور از او پرسیدند که کامپیوترهای کوانتومی چه زمانی آماده می‌شوند؟ او پاسخ داد که برخی مردم تصور می‌کنند هیچ‌گاه ساخته نمی‌شوند، اما این محقق دیوانه در مرکز تحقیقات می‌گوید تا ۱۰ سال دیگر آماده خواهند بود.

داولینگ می‌گوید شرط‌بندی او موجب شد تا سرمایه‌گذارها برای ورود به حوزه‌ی رایانش کوانتومی احساس رقابت کنند و در کمتر از یک سال از شرط‌بندی، سرمایه‌های تحقیقات کوانتومی سه‌برابر شد.

دانشمندان از قرن‌ها پیش از شرط‌بندی برای سرعت دادن به حل مسائل استفاده کرده‌اند. یوهانس کپلر، منجم مشهور، در سال‌های ابتدایی دهه‌ی ۱۶۰۰ با استاد خود، تیکو براهه شرط بست که می‌تواند در مدت پنج روز، مدار مریخ به دور خورشید را اندازه‌گیری کند. کپلر شرط را باخت، اما درنهایت پس از گذشت پنج سال موفق به اندازه‌گیری شد. در سال‌های اخیر، بنیاد Long Now، سازمانی غیرانتفاعی با هدف توسعه‌ی پروژه‌ها و اندیشه‌های بلندمدت، برنامه‌ای به‌نام Long Bet راه‌اندازی کرده است که به عموم مردم امکان می‌دهد پروژه‌های بلندمدت و بحث‌ها و شرط‌بندی‌ها پیرامون آن‌ها را مشاهده کنند.

داولینگ باوجود شخصیت همیشه منتقد، استدلال‌های محکمی در رد کردن نظریه‌ی رایانش کوانتومی توپولوژیکی دارد. ابتدا اینکه دانشمندان تاکنون نتوانسته‌اند حتی نمونه‌ای اولیه از آنیون‌ها بسازند که الکترون‌ها طبق آن شکل‌ بگیرند. درواقع محققان هنوز توانایی ساختن پایه‌های بنیادی کامپیوتر کوانتومی توپولوژیکی را ندارند. به‌علاوه، برخی از قابلیت‌های تبلیغ‌شده برای آنیون‌ها تنها زمانی قابل بهره‌برداری هستند که آن‌ها را در دمای بسیار سرد و نزدیک به صفر مطلق نگه‌داری کنیم. در چنین وضعیتی آن‌ها برتری آن‌چنانی نسبت به کامپیوترهای کوانتومی کنونی ندارند.

ار نظر داولینگ، اخبار پیرامون مایکروسافت و پیشرفت‌های کوانتومی هیچ پایه و اساسی ندارد. او می‌گوید ردموندی‌ها سرمایه‌گذاری عظیمی انجام داده‌اند و هیچ چیز برای نمایش ندارند. ازطرفی آن‌ها باخت را نمی‌‌پذیرند و هرساله در سخنرانی‌های متعدد، از نزدیک بودن دستاورد بزرگ علمی صحبت می‌کنند. داولینگ می‌پرسد: «آن‌ها چه زمانی خواهند گفت که این برنامه نتیجه نمی‌دهد؟»

پرسکیل هم اعتقاد دارد تحقیق روی کامپیوتر کوانتومی توپولوژیکی بیش‌ازحد زمان برده است، البته او برخلاف داولینگ، بدبین نیست. پرسکیل اطمینان دارد که در آینده قطعا شاهد ساخت کامپیوتر کوانتومی توپولوژیکی خواهیم بود، اما دوره‌ی زمانی رسیدن به دستاورد، مشخص نیست.

داولینگ درباره‌ی شرط‌بندی کنونی خود نیز ایده‌ی مفید بودن را مطرح می‌کند. او می‌گوید در صورت باخت باز هم خوشحال خواهد بود چون باخت او به‌معنای ساختن کامپیوتر کوانتومی توپولوژیکی است و دستاورد بزرگی محسوب می‌شود. پرسکیل هم می‌گوید چنین شرط‌بندی‌هایی حداقل عموم مردم را به مسئله آگاه و علاقه‌مند می‌کند. درنهایت اگر این دو دانشمند موفق شدند حتی برای چند ثانیه ما را به تفکر درباره‌ی مفهوم رایانش کوانتومی توپولوژیکی مشغول کنند، هردو پیروز شده‌اند.