قدرتمندترین کامپیوتر کوانتومی در دستان یک استارتاپ

سرانجام، فیزیکدانان دانشگاه هاروارد و MIT در استارتاپ کیواِرا کامپیوتینگ موفق شدند بهترین کاربرد رایانش کوانتومی را پیدا کنند. نه هنوز تا حل معضل تغییرات اقلیمی و تولید دارو و باتری‌های بهتر راه درازی مانده، اما تا رسیدن آن روز می‌توانید به فایل گیف زیر نگاه کنید که طرحی از کاراکتر ماریو یا همان «قارچ‌خور» خودمان است که از کیوبیت‌ ساخته شده است!

کیوبیت‌ها که همان همتای کوانتومی بیت‌‌ها در کامپیوترهای سُنتی هستند، در شبیه‌ساز کوانتومی ۲۵۶ کیوبیتی قابل برنامه‌ریزی این فیزیکدان‌ها می‌توانند در هر چینش هندسی که فکرش را کنید حتی بازی تتریس قرار بگیرند و چون توسعه‌دهندگان آن خوره بازی سوپرماریو هستند، برای نمایش قدرت پلتفرم کوانتومی خود اتم‌ها را به شکل ماریو کنار هم قرار دادند و فایل گیفی از قدم زدن این کاراکتر محبوب را منتشر کردند.

به نوشته مجله هاروارد:‌

این سیستم جدید به اتم‌ها اجازه می‌دهد تا در چینش‌های دوبعدی کنار هم قرار بگیرند و بدین ترتیب، اندازه قابل دستیابی کیوبیت‌های سیستم را از ۵۱ به ۲۵۶ افزایش دهند. با استفاده از انبرک‌های نوری پژوهشگران می‌توانند اتم‌ها را در الگوهای بی‌نقص و اَشکال قابل برنامه‌ریزی مانند شبکه‌های مربعی، لانه زنبوری یا مثلثی بچینند تا بین کیوبیت‌ها برهمکنش‌های مختلفی ایجاد کنند.

قدرتمندترین کامپیوتر کوانتومی در دستان یک استارتاپ، استارتاپ کیوارا کامپیوتینگ (QuEra Computing) مستقر در بوستون به‌تازگی از حالت چراغ‌خاموش بیرون آمده تا قدرت شبیه‌ساز کوانتومی ۲۵۶ کیوبیتی قابل برنامه‌ریزی خود را به رخ بکشد. این کامپیوتر کوانتومی ویژه با روشی متفاوت از پردازنده‌های کوانتومی گوگل و IBM ساخته شده و به همین دلیل توانسته در تعداد کیوبیت، این غول‌های دنیای فناوری را پشت سر بگذارد.

ده‌ها سال است که حوزه یارانش کوانتومی با هدف حل بزرگ‌ترین معضلاتی که بشر با آن‌ها دست به گریبان است، در کنترل غول‌های دنیای تکنولوژی نظیر IBM، مایکروسافت و گوگل بوده است شرکت‌هایی که در رقابت جدی با یکدیگر در تلاشند تا در ساخت سیستم‌هایی با بیشترین تعداد کیوبیت از دیگری پیشی بگیرند. اما در چند سال اخیر استارتاپ‌ها هم وارد رقابت شده‌اند تا بتوانند در این صنعت نوپا اما پرشتاب جایی برای خود باز کنند.

به‌تازگی، از هر دو سمت این رقابت خبرهای هیجان‌انگیزی درباره آینده رایانش کوانتومی به گوش رسید IBM از جدیدترین تراشه کوانتومی خود به نام «عقاب» (Eagle) متشکل از ۱۲۷ کیوبیت رونمایی کرد و از برنامه‌هایش برای عرضه تراشه‌ای به نام «Osprey» با ۴۳۳ کیوبیت در سال ۲۰۲۲ و تراشه‌ای به نام «Condor» با ۱٬۱۲۱ کیوبیت در سال ۲۰۲۳ صحبت کرد. به گفته IBM، با عرضه این دو تراشه بشر سرانجام به آنچه از آن به عنوان «مزیت کوانتومی» یاد می‌کند، دست پیدا خواهد کرد به این معنی که رایانش کوانتومی سرانجام برای حل مسائل مفید و کاربردی به کمک بشر خواهد آمد و فرایندهایی را که در کامپیوترهای کلاسیک هزاران سال طول می‌کشد، در چند دقیقه انجام خواهد داد.

اما چند روز بعد از معرفی تراشه ۱۲۷ کیوبیتی IBM که ۷۳ کیوبیت بیشتر از پردازنده کوانتومی گوگل را در خود جای داده بود و از طراحی آن به عنوان «معجزه کوچک» یاد می‌شود، استارتاپ کوچکی در بوستون که توسط دانشمندان هاروارد و MIT راه‌اندازی شده بود، از حالت چراغ‌خاموش بیرون آمد و جزییات پروژه خود را منتشر کرد.

به گفته پژوهشگران این استارتاپ، ساخت این کامپیوتر ۲۵۶ کیوبیتی به اتمام رسیده و تاکنون از شرکت ژاپنی راکوتن، دی وان ونچرز، فرانتیرز کپیتال و چند سرمایه‌گذار دیگر، ۱۷ میلیون دلار دریافت کرده است تا این تکنولوژی را توسعه دهد.

رقابت بر سر کیوبیت‌ها

رقابت بین شرکت‌هایی که وارد حوزه رایانش کوانتومی می‌شوند، بر سر تعداد کیوبیت است؛ چرا که هرچه تعداد کیوبیت بیشتر باشد، اطلاعات بیشتری را می‌توان در آن ذخیره و پردازش کرد و بدین‌ترتیب، مسائل پیچیده‌تری را می‌توان در کوتاه‌ترین زمان حل کرد. برای درک عظمت کامپیوترهای کوانتومی و قدرت سرسام‌آور کیوبیت‌ها، قیاس IBM را در نظر بگیرید که گفت برای اینکه کامپیوترهای معمولی بتوانند به‌طور موفقیت‌آمیز قدرت پردازنده‌ای ۱۲۷ کیوبیتی‌اش را شبیه‌سازی کنند، لازم است تعداد بیت‌های پردازنده‌شان بیشتر از تعداد اتم‌های موجود در بدن هر انسان در جهان باشد.

از زمانی که گوگل مدعی شد پردازنده کوانتومی ۵۳ کیوبیتی‌اش توانسته محاسباتی را در در سه دقیقه انجام دهد که پردازش آن در اَبَررایانه سامیت IBM به ۱۰ هزار سال زمان نیاز داشت، دو سال می‌گذرد ادعایی که بلافاصله توسط IBM به چالش کشیده شد و گروهی از پژوهشگران چینی نیز به‌تازگی نشان دادند اگر گوگل از الگوریتم ساده‌تری استفاده می‌کرد، می‌توانست همان نتیجه را در خوشه ۵۱۲ تایی از پردازنده‌ی گرافیکی انویدیا تسلا V100 تنها در ۱۵ ساعت به دست آورد و واقعا نیازی به ده هزار سال زمان نبود.

حالا پیشرفت در حوزه یارانش کوانتومی به جایی رسیده که یک استارتاپ کوچک موفق شده به تعداد بسیار بیشتری کیوبیت از غول‌های دنیای تکنولوژی دست پیدا کند.

البته که هدف نهایی رایانش کوانتومی، ساخت تتریس یا سوپر ماریو کیوبیتی نیست، بلکه پیشی گرفتن از کامپیوترهای کلاسیک در حل مسائلی با کاربرد مفید و عملی است. تا به امروز تمام مسائلی که با پردازنده‌های کوانتومی رایانش شده، صرفا جنبه ریاضیاتی و البته تاحدودی خودنمایی داشته است اما هنگامی که این کامپیوترها به اندازه کافی قدرتمند شوند، شاید ده یا بیست سال آینده (اگرچه IBM وعده دو سال و گوگل وعده ۸ سال آینده را داده است)، می‌توان امیدوار بود که به کمک آن‌ها تحولات بزرگی در حوزه‌های پزشکی، مالی، علوم اعصاب، بهینه‌سازی فرایندها و هوش مصنوعی رخ دهد.

برای اینکه سیستم‌های کوانتومی بتوانند از پس چنین مسائل پیچیده‌ای بر‌آیند، احتمالا به هزاران کیوبیت نیاز خواهند داشت. با این حال، ماجرا فقط به تعداد کیوبیت‌ ختم نمی‌شود.

سیستم کوانتومی کیوارا علاوه‌ بر‌ اینکه رکورد بیشترین تعداد کیوبیت را شکسته است، از قابلیت برنامه‌ریزی پیشرفته‌ای بهره می‌برد که در آن هر کیوبیت یک اتم منفرد و فوق‌سرد است که به کمک یک سری لیزر که فیزیکدانان از آن‌ها به عنوان «انبرک‌های نوری» یاد می‌کنند، به‌طور بسیار دقیقی کنار هم قرار گرفتند. چینش خاص کیوبیت‌ها به سیستم امکان می‌دهد فقط برای حل مسئله موردنظر برنامه‌ریزی شود و حتی در طول فرایند رایانش، می‌توان مدل چینش کیوبیت‌ها را بسته به نیاز تغییر داد.

به گفته الکس کیزلینگ، مدیرعامل QuEra و هم‌مخترع این تکنولوژی، «حل مسائل مختلف مستلزم قرار گرفتن اتم‌ها در چینش‌های مختلف است. یکی از قابلیت‌های منحصربه‌فرد ماشین ما این است که هر بار که آن را اجرا می‌کنیم، یعنی چند بار در هر ثانیه، می‌توانیم چینش هندسی و اتصال کیوبیت‌ها را کاملا تغییر دهیم.»

مزیت اتمی

گوگل با معرفی پردازنده کوانتومی سیکامور از «برتری کوانتومی» حرف زد و IBM گفت قصد دارد تمرکزش را به «مزیت کوانتومی» و حل مسائل مفید معطوف کند. حالا استارتاپ QuEra صحبت از مزیت اتمی را به میان کشیده است.

سیستم کوانتومی QuEra از طرح اولیه و تکنولوژی‌هایی که طی سال‌ها به سرپرستی میخائیل لوکین و مارکوس گریانر از دانشگاه هاروارد و ولادن وولتیک و دِرک انگلوند از دانشگاه MIT ارتقا یافته بود، ساخته شده است. نمونه اولیه این سیستم که در سال ۲۰۱۷ تکمیل شد، تنها ۵۱ کیوبیت داشت و تا رسیدن به ۲۵۶ کیوبیت، سه سال روی این سیستم مشغول کار بودند. حالا تیم QuEra قصد دارد تا دو سال آینده، سیستم کوانتومی‌اش را به هزار کیوبیت برساند و بعد، بدون آنکه پلتفرم را تغییر چندانی بدهد، امیدوار است این تعداد را به بیش از صدها هزار کیوبیت افزایش دهد.

در واقع، پلتفرم QuEra که سیستم کوانتومی رویش سوار است و نحوه وارد کردن و پردازش اطلاعات را تعیین می‌کند، به گونه‌ای منحصر‌به‌فرد ساخته شده تا جهش از چند صد کیوبیت به چند صد هزار کیوبیت را ممکن کند. درحالی‌که سیستم‌های یارانش کوانتومی گوگل و IBM از کیوبیت‌های ابررسانا و شرکت IonQ از یون‌های محبوس استفاده می‌کنند، پلتفرم QuEra از آرایه‌هایی از اتم‌های خنثی استفاده می‌کند که کیوبیت‌هایی با میزان چشمگیری از همدوسی، یعنی درجه بالایی از «کوانتومی‌بودن»، تولید می‌کنند.

این سیستم از پالس‌های لیزری برای برهم‌کنش اتم‌ها و قرار دادن آن‌ها در حالت برانگیخته استفاده می‌کند که به آن «حالت ریدبرگ» می‌گویند. در حالت ریدبرگ، می‌توان منطق کوانتومی را به روشی پایدارتر با میزان وفاداری بالا پیاده کرد. دانشمندان چندین دهه بود که تلاش می‌کردند از حالت ریدبرگ برای یارانش کوانتومی استفاده کنند، اما به تکنولوژی پیشرفته‌ای نظیر لیزر و علم فوتونیک نیاز بود تا بتوان از این روش به طرز کارآمدتری استفاده کرد.

از نظر دانشمندان، پلتفرم‌های مبتنی بر ریدبرگ از این جهت حائز اهمیت هستند که می‌توانند کیوبیت‌هایی با درهم تنیدگی بالا تولید کنند که با یکدیگر تعامل بسیار قوی‌ای دارند. به نظر می‌رسد جادوی کوانتوم نیز در چنین پلتفرم‌هایی نهفته باشد؛ یعنی جایی که در زمانی نسبتا کوتاه می‌توان انتظار جهش‌هایی بسیار بزرگ را داشت.

جان پرسکیل، فیزیکدان مؤسسه فناوری کالیفرنیا و کسی که اصطلاح «برتری کوانتومی» را ابداع و از آینده‌ای صحبت کرد که کامپیوترهای کوانتومی قادر به انجام کارهایی باشند که از پسِ کامپیوترهای کلاسیک برنیاید، به آینده پلتفرم QuEra و برنامه‌های این استارتاپ برای در دسترس عموم قرار دادن این پلتفرم برای تحقیق و توسعه اشتیاق فراونی دارد.

بدون شک، هرچه افراد بیشتری با این سیستم‌های کوانتومی کار کنند و آن‌ها را در مصارف مختلف به کار برند، بهتر و سریع‌تر از قابلیت‌های حیرت‌انگیز آن‌ها سر در می‌آورند البته به شرطی که تمام وقت خود را مشغول بازی تتریس کیوبیتی با این غول‌های رایانشی نباشند!

منبع: ZOOMIT