آی بی اِم در چند قدمی رسیدن به رایانش کوانتومی است

چندی پیش صنعت ریزپردازنده‌‌ها در حالی پنجاه سالگی قانون مور را جشن گرفت که پایه‌های این قانون بیش از هر زمان دیگری سست شده است. گمانه‌ها حکایت از این دارند که قدرتمند شدن پردازنده‌ها مبتنی بر قانون مور تنها تا ده سال دیگر دوام خواهد آورد و از این‌رو کمپانی‌هایی نظیر آی بی اِم در پی کشف راه حلی نظیر توسعه کامپیوترهای مبتنی بر رایانش کوانتومی هستند. حال اخباری منتشر شده که نشان از نزدیک شدن محققان به ساخت این نوع رایانه دارد.

 از سال‌های گذشته بسیاری از کمپانی‌های فعال در زمینه‌ی تولید پردازنده‌ها تحقیقات خود را برای یافتن روش‌های جدیدی به منظور تولید پردازنده‌های قدرتمند‌ آغاز کرده‌‌اند. پیش‌بینی‌ها نشان از این دارند که عمر قانون مور رو به اتمام است و محدودیت‌های فیزیکی سیلیکون امکان افزایش تعداد ترانزیستورها را نخواهد داد. گمانه‌ها دوام قانون مور را حداکثر تا ۱۰ سال دیگر پیش‌بینی می‌کنند. براساس قانون مور، تعداد ترانزیستورها تقریبا در هر بازه‌ی دو ساله به دو برابر افزایش خواهد یافت. محققان برای کنترل سایز و همچنین مصرف انرژی پردازنده‌ها، راهکار‌های متعددی را در پیش گرفته‌اند که کاهش لیتوگرافی ویفرها از جمله‌ی این روش‌ها است. انتظار می‌رود تولید پردازنده‌ها مبتنی بر لیتوگرافی ۷ نانومتر پایانی بر قانون مور باشد. همانطور که اشاره کردیم کمپانی‌ها برای فرار از این بن بست، سرمایه‌گذاری گسترده‌ای را انجام داده‌اند؛ یکی از روش‌های در پیش گرفته شده استفاده از رایانش کوانتومی است.

در صورتی که محققان بتوانند مشکلات موجود در مسیر دست یافتن به ساخت کامپیوتر‌های مبتنی بر رایانش کوانتومی را حل کنند، به کامپیوترهایی با قدرت خارق‌العاده دست خواهند یافت. از جمله‌ی کاربردهای رایانش کوانتومی می‌توان به سهولت پیمایش و طبقه‌بندی داده‌های بزرگ اشاره کرد که نتیجه‌ی آن کشف‌های جدید در حوزه‌های مختلف نظیر کشف ابر ماده، متدهای رمزنگاری جدید و داروهای جدید بدون نیاز به آزمایش و خطا در لابراتوارها خواهد بود.

آی بی ام یکی از کمپانی‌هایی است که نه‌تنها در این مورد، بلکه در مورد روش‌های دیگر برای دست یافتن به فناوری ساخت پردازنده‌های قدرتمند سرمایه‌گذاری کرده است. به نظر می‌رسد بیگ بلوی (Big Blue) سابق فاصله‌ی چندانی با دست یافتن به فناوری ساخت کامپیوتر‌های مبتنی بر رایانش کوانتومی ندارد. براساس اطلاعات ارائه شده دانشمندان در این کمپانی موفق شده‌اند تا راهی را برای تشخیص خطاهای فازی و بیتی بصورت همزمان بیابند. دانشمندان علاوه بر دست یافتن به مکانیزم تشخیص خطا، موفق به طراحی مدار بیت کوانتومی به شکل مربع شده‌اند که می‌توان از آن در ابعاد بزرگ‌تر استفاده کرد.

آرویند کریشنا، قائم مقام ارشد و مدیر اجرایی بخش تحقیقات آی بی ام در این خصوص چنین اظهار نظر کرده است:

رایانش کوانتومی انقلاب بزرگی را در صنعت کامپیوتر ایجاد خواهد کرد. با استفاده از قدرت محاسباتی حاصل از بکارگیری کامپیوترهای مبتنی بر رایانش کوانتومی، راه برای حل مسائلی که یافتن راه حل آن‌ها غیرممکن یا با استفاده از امکانات موجود غیرعملی است، باز خواهد شد. یکی از معمول‌ترین کاربردهایی که برای بکارگیری رایانش کوانتومی پیش‌بینی می‌شود، استفاده از این قابلیت برای رمزنگاری است؛ حال آنکه می‌توان از فناوری رایانش کوانتومی برای حل مسائلی در حوزه‌ی فیزیک یا شیمی اشاره کرد که در حال حاضر غیرممکن به نظر می‌رسند. نتیجه‌ی استفاده از قدرت رایانش کوانتومی در این حوزه‌ها، کشف مواد جدید و همچنین ایجاد داروهای جدیدتر و به مراتب موثرتری است.

اما ساز و کار رایانش کوانتومی به چه صورت است؟ رایانه‌های کنونی که مورد استفاده قرار می‌گیرند، از یک منطق ساده پیروی می‌کنند که در واقع همان منطق دو دویی است که شامل بیت‌ها با ارزش ۰ یا ۱ می‌شود. در واقع زبان رایانه‌های کنونی رشته‌ای از بیت‌ها است که هر بیت می‌تواند صفر یا یک باشد. در پردازنده‌های امروزی در پایین‌ترین لایه، دستورات در قالب دستورات صفر و یک اجرا می‌شوند. در واقع صفر و یک به معنای ولتاژ پایین و بالا یا یک کلید قطع و وصل است. در مقابل کوانتوم بیت که کوبیت نیز خوانده می‌شود، می‌تواند هر دو مقدار صفر یا یک را بصورت همزمان داشته باشد. این وضعیت با عنوان برهم نهی کوانتومی (۱+۰) شناخته می‌شود که در واقع نتیجه‌ی رابطه‌ی فازی دو مقدار بایکدیگر است. همین موضوع باعث سرعت بالای پردازشی کامپیوترهای کوانتومی در مقایسه با رایانه‌های کنونی مورد استفاده می‌شود.

اما در مسیر ایجاد یک کامپیوتر کوانتومی موانعی موجود است که مهم‌ترین آن واهمدوسی کوانتومی است. واهمدوسی کوانتومی به معنای از بین رفتن در هم تنیدگی است. این حالت زمانی اتفاق می‌افتد که سیستم کوانتومی با محیط پیرامونش اندرکنش داشته باشد. برای مثال عواملی نظیر گرما یا امواج الکترومغناطیس می‌توانند عملکرد کامپیوتر کوانتومی را با ایجاد واهمدوسی با اختلال روبرو کنند. راه‌حل جلوگیری از واهمدوسی ایجاد بستری ایزوله از محیط برای کار کردن سیستم است که تقریبا غیرممکن است. با توجه به حساسیت بالای کوبیت‌ها، کوچکترین عامل بیرونی می‌تواند وضعیت آن را تغییر دهد. خطاهای ایجاد شده می‌توان خطای بیتی باشد که ارزش یک بیت را به حالت مخالفش تغییر می‌دهد، یعنی در صورتی که یک بیت مقدار یک را در خود جای داده باشد، با رخدادن این خطا، ارزش آن به صفر تغییر پیدا می‌کند. همچنین باید به ایجاد خطای فازی نیز اشاره کرد که در اثر برهم نهی ایجاد می‌شود.

ایجاد مکانیزمی برای خطایابی در یک سیستم کامپیوتری بزرگ و قابل اعتماد از جمله‌ی مهم‌ترین بخش‌هایی است که باید در طراحی در نظر داشت. تاکنون دانشمندان تنها قادر بودند یک خطای فازی با بیتی را در آن واحد تشخیص دهند؛ اما متخصصان آی بی اِم موفق به طراحی مداری شده‌اند که قادر است دو نوع خطای فازی و بیتی را در آن واحد تشخیص دهد. دانشمندان در کمپانی آی بی اِم مداری مبتنی بر شبکه‌ی مربعی شامل چهار کوبیت ابررسانا با دمای بسیار پایین طراحی کرده‌اند که روی تراشه‌ای به اندازه‌ی کمتر از ۴ میلی‌متر مربع جای گرفته است. استفاده از ساختار مربعی کلید حل معمای تشیص خطاها در کامپیوترهای کوانتومی است. پیش از این هیچ یک از سیستم‌های خطی طراحی شده توانایی سیستم جدید را نداشتند. با اضافه شدن کوبیت‌های بیشتر می‌توان مقیاس و اندازه‌ی این مدار را نیز متناسب با سیستم طراحی کرد.

جی گامبتا، مدیر تیم رایانش کوانتومی آی بی اِم در این خصوص چنین اظهار نظر کرده است:

تاکنون دانشمندان تنها قادر بودند تا در یک لحظه‌ی منحصر بفرد یکی از خطاهای بیتی یا فازی را تشخیص دهند و امکان تشخیص این دو خطا در آن واحد وجود نداشت. تلاش‌های پیشین انجام شده در رابطه با تشخیص این خطا روی معماری خطی متمرکز شده بود که طبق آن تمرکز روی خطاهای بیتی بوده و اطلاعات ناقصی در مورد وضعیت فازی سیستم به دست می‌آمد. اما سیستم چهار کوبیتی که توسط ما طراحی شده قادر است هر دو نوع خطا را تشخیص دهد. حتی می‌توان از این سیستم در مقیاس بزرگ‌تر نیز استفاده کرد.

می‌توان با استفاده از ۵۰ کوبیت، ابر کامپیوتری ساخت که ۵۰۰ سوپر کامپیوتری کنونی جهانی نیز در حال فعالیت ترکیبی با یکدیگر نمی‌توانند با قدرت این کامپیوتر کوانتومی برابری کنند

براساس اطلاعات ارائه شده مرحله‌ی بعدی برای آی بی اِم ایجاد کوبیت‌ها با درصد خطای کمتر است. پس از عبور موفقیت‌آمیز از این مرحله می‌توان یک کامپیوتر کوانتومی طراحی کرد که قدرت خارق‌العاده‌ای داشته باشد. بر این اساس می‌توان با استفاده از ۵۰ کوبیت، ابر کامپیوتری ساخت که ۵۰۰ سوپر کامپیوتری کنونی جهانی نیز در حال فعالیت ترکیبی با یکدیگر نمی‌توانند با قدرت این کامپیوتر کوانتومی برابری کنند.