جهان در دوران «برتری کوانتومی»

محمد کرباسی_دبیر سرویس دانش و فناوری

ابرکامپیوترها در جهان را فراموش کنید. دنیا در حال تغییر کردن است؛ آن‌قدر جهش جدید در دنیای کامپیوترها، عظیم و بزرگ خواهد بود که ابرکامپیوترهای فعلی جهان در برابر آن دیگر کند و دم‌دستی به‌حساب خواهند آمد. براساس گزارش‌های منتشر شده توسط 2نشریه فایننشیال تایمز و فورچون، گوگل پس از سال‌ها رقابت میان شرکت‌های مختلف جهان موفق شده که با ساخت سریع‌ترین کامیپوتر جهان به «برتری کوانتومی» دست پیدا کند. برتری کوانتومی، یعنی یک کامپیوتر کوانتومی می‌تواند محاسباتی را انجام دهد که در زمان معقول غیرقابل محاسبه است. براساس مقاله‌ای علمی که منتشر شده گوگل در روندی محرمانه توانسته است به این تحول بزرگ دست پیدا کند. نشریه فورچون به یک نسخه از این مقاله که به ناسا فرستاده شده بود دست پیدا کرده است. هر چند این مقاله مدت کوتاهی پس از رسانه‌ای‌شدن ماجرا از سایت ناسا حذف شد اما گزارش‌ها از اعتبار آن خبر می‌دهد. گوگل و ناسا هیچ‌کدام حاضر نشده‌اند درباره این ماجرا به خبرنگاران پاسخ دهند اما فایننشیال تایمز هم براساس منابع خود تأیید کرده که احتمالا گوگل به برتری کوانتومی دست پیدا کرده است.

چه چیزی ساخته شده است؟
در مقاله افشاشده درباره یک کامپیوتر کوانتومی به نام Sycamore صحبت شده که در آن از چیپ ۵۳کیوبیتی استفاده شده است. در واقع محققان گوگل از چیپ 72کیوبیتی کوانتومی خود به نام Bristlecone استفاده نکرده‌اند!

 در پردازش کوانتومی یک کیوبیت یا بیت کوانتومی، واحد پایه‌ای پردازش کوانتومی و رمزنگاری کوانتومی بوده و مشابه بیت در رایانه‌های کلاسیک است. کیوبیت کوچک‌ترین واحد ذخیره اطلاعات و معیاری از مقدار اطلاعات کوانتومی است.
پس از توضیح درباره ساختار پردازنده کامپیوتر، در ادامه مسئله‌ای ریاضی مطرح می‌شود که حل آن توسط کامپیوترهای کلاسیک زمان زیادی می‌برد و دانشمندان تیم AI Quantum گوگل برای حل آن از کامپیوتر کوانتومی ۵۳کیوبیتی خود استفاده می‌کنند. پیش‌تر برآورد می‌شد که یک کامپیوتر کوانتومی با استفاده از ۵۰ تا ۱۰۰کیوبیت احتمالا خواهد توانست از هر کامپیوتر کلاسیک دیگری سریع‌تر باشد و این اتفاقی است که اکنون شاهد آن هستیم. گرچه ابتدا قصد تیم گوگل ساخت کامپیوتری با ۷۴کیوبیت بود اما حتی کاهش تعداد کیوبیت‌ها هم باعث نشد تا برتری کوانتومی دیرتر حاصل شود.
در این مقاله تخمین‌زده شده مسئله‌ای که توسط این کامپیوتر در ۲۰۰ ثانیه حل شده اگر قرار بود با سیستم‌های رایانش ابری گوگل حل می‌شد ۵۰ تریلیون ساعت زمان می‌برد.

عوض‌شدن دنیا 
کامپیوترهای کوانتومی با هیچ فناوری موجود و شناخته‌شده قابل مقایسه نیستند. فرض کنید محققان براساس مشخصات بدن انسان تخمین زده باشند که هیچ بشری قادر نیست مسافت ۱۰۰متر را در زمانی مثلا زیر ۱۰ثانیه بدود. ناگهان تحولی باعث شود تا کسی بتواند مثلا این مسافت را زیر یک میلیاردم ثانیه طی کند! جنس تحول کامپیوترهای کوانتومی در جهان از این نوع است. این مسئله را درنظر داشته باشید که از کامپیوترهای کوانتومی برای کارهای خاص استفاده می‌شود و قرار نیست که لپ‌تاپ‌های ما مثلا ناگهانی دچار تحول سرعت شوند. از این کامیپوترها هم مانند ابرکامپیوترهای فعلی برای ماموریت‌های خاص و محاسبات پیچیده در جهان استفاده خواهد شد. مدت‌هاست که محققان منتظر شنیدن این خبر بودند اما کسی تصور نمی‌کرد به این زودی‌ها برتری کوانتومی محقق شود.

رقابت جهانی 
سال‌هاست که شرکت‌های مختلفی ازجمله گوگل، آی‌بی‌ام و اینتل و همچنین استارتاپ‌هایی مانند Rigetti Computing به‌دنبال رسیدن به برتری کوانتومی هستند. چنین دست‌یافته‌ای از آن جهت ارزشمند است که برای نخستین بار در تاریخ، محاسباتی را که هیچ کامپیوتر عادی قادر به حل آن نیست انجام داده و به همین‌خاطر می‌توان عبارت برتری کوانتومی را برای آن به‌کار برد.

در واقع زمان محاسبه10 هزار ساله برای هیچ کامپیوتری عملی نیست و نمی‌توان آن را امکان‌پذیر دانست. در مقاله محققان گوگل آمده است: این افزایش سرعت نسبت به تمام الگوریتم‌های کلاسیک، مثالی از تحقق تجربی برتری کوانتومی در اعمال محاسباتی فراهم کرده و نویدبخش ظهور نوعی الگوی پیش‌بین‌شده محاسباتی است. چنین نتیجه‌ای می‌تواند مثال نقضی برای قانون مور بوده و نشان دهد که قدرت کامپیوترهای کوانتومی به‌صورت نمایی و نه خطی افزایش پیدا می‌کند.

 همه‌‌چیز‌ درباره کامپیوتر کوانتومی 
کامپیوترهای سنتی، از یک اپل واچ‌گرفته تا قدرتمندترین ابررایانه روی زمین تاکنون مبتنی‌‌بر ترانزیستورهای کوچک سیلیکونی بوده‌اند که به‌‌صورت سوئیچ‌هایی خاموش و روشن‌‌شونده برای کدگذاری بیت‌‌های داده، مورد استفاده قرار می‌گیرند. هر مدار می‌تواند یکی از 2 مقدار یک (روشن) یا صفر (خاموش) را در سیستم کد دودویی به‌‌خود اختصاص دهد. رایانه نیز برای انجام عملکردهای خود، ولتاژ را در این مدارها قطع یا وصل می‌کند. اما یک کامپیوتر کوانتومی به این منطق صفر و یک محدود نمی‌شود. حافظه‌‌ چنین دستگاهی از بیت‌‌های کوانتومی یا کیوبیت (qubits) تشکیل می‌شود. کیوبیت‌‌ها، ذرات سازنده‌‌ تمام مواد حتی اتم‌ها یا الکترون‌ها به‌حساب می‌‌آیند. هر یک از کیوبیت‌‌ها می‌توانند در آن واحد، یک وضعیت دوگانه داشته باشند؛ به این معنی که می‌توانند در یک برهم‌‌نهی از تمامی ترکیبات ممکن از صفر و یک قرار گیرند. آنها می‌توانند در آن واحد، تمامی این حالات را به‌‌صورت همزمان اشغال کنند. ایده اصلی‌ای که در پس کامپیوترهای کوانتومی نهفته است این است که می‌توان از خواص و قوانین فیزیک کوانتوم برای ذخیره‌سازی و انجام عملیات روی داده‌ها استفاده کرد. یک مدل تئوریک و انتزاعی از این ماشین‌ها، ماشین تورینگ کوانتومی (Quantum Turing Machine) است که کامپیوتر کوانتومی جهانی (Universal Quantum Computer) نیز نامیده می‌شود. پس کامپیوترهای کوانتومی کاملا ساختاری متفاوت با کامپیوترهای فعلی جهان دارند. درحالی‌که در کامپیوترهای معمولی، هر بیت می‌تواند فقط صفر یا یک باشد، در کامپیوترهای کوانتومی، هر بیت هم صفر و هم یک است؛ آن هم به‌صورت همزمان. بنابراین یک حافظه کوانتومی که دارای K کیوبیت است می‌تواند در ترکیبی از 2K قرار گیرد. قرار گرفتن یک کیوبیت در ترکیبی از 2 حالت متفاوت محصول خاصیت برهم نهی کوانتومی (Quantum Superposition) است. به‌خاطر این خصوصیات است که می‌توان محاسبات را با سرعتی بسیار بالاتر انجام داد.

برتری کوانتومی؛ ایستگاه اول 
رقابت برای کامپیوترهای کوانتومی هنوز در ایستگاه اول است. دیوید ریلی، مدیر یکی از آزمایشگاه‌های کوانتومی مایکروسافت در دانشگاه سیدنی از استرالیا، می‌‌گوید: آنچه می‌بینید یک ماراتن واقعی است؛ ماراتنی که تنها ۱۰ دقیقه از آغاز آن گذشته است. ایستگاه اول همان‌‌چیزی است که دانشمندان از آن به‌‌عنوان برتری کوانتومی (quantum supremacy) یاد می‌‌کنند؛ یعنی مرحله‌‌ای که نخستین کامپیوتر کوانتومی بتواند حداقل یک وظیفه خاص را به‌‌نحوی بهتر از یک کامپیوتر استاندارد انجام دهد. آنچه به نام برتری کوانتومی شناخته می‌شود، ناظر بر قدرت خارق‌العاده کامپیوترهای کوانتومی در پردازش سریع مسائلی است که دارای وضعیت‌های بسیار زیاد هستند. مثلا برای پیدا کردن مشخصات مناسب در ساخت یک ماده خاص، می‌توان حالات بسیار بسیار زیادی را در یک لحظه مورد جست‌وجو قرار داد. اگر کشاورزی و انقلاب صنعتی 2 فصل تاریخی در تمدن بشر به‌حساب می‌آیند، انقلاب اطلاعات و پردازش می‌رود که فصل جدیدی را رقم بزند و کامپیوترهای کوانتومی در پیشبرد این انقلاب نقش برجسته‌ای دارند. با گسترش استفاده از کامپیوترهای کوانتومی طی چند دهه چنان تغییری ایجاد می‌شود که دیگر کسی به سختی می‌تواند دوران فعلی را به‌خاطر بیاورد.

سامیت دیگر کند است!
ابرکامپیوتر «سامیت» ساخت شرکت آی‌‌بی‌ام سال‌ها زبانزد خاص و عام برای محاسبات پیچیده بوده است. براساس مقاله‌ای که منتشر شده کامپیوتر کوانتومی ساخته‌شده توسط گوگل می‌تواند محاسباتی که انجام آن توسط ابرکامپیوترهایی مانند سامیت ۱۰هزار سال زمان می‌برد را در عرض ۳دقیقه انجام دهد!
این مسئله به‌معنای بازشدن یک دریچه جدید به سوی بشر است. هزاران مسئله وجود دارد که ابرکامپیوترهای امروزی با همه قدرت‌شان، نیاز به زمان طولانی برای حل آنها دارند. اما با این تحول جدید می‌توان امیدوار بود که در آینده نزدیک مسائل پیچیده مختلف در چشم برهم‌زدنی حل شوند.
در‌ماه مارس سال ۲۰۱۸ گوگل از چیپ 72کیوبیتی کوانتومی خود به نام Bristlecone رونمایی کرد و امیدوار بود که با استفاده از آن بتواند به برتری کوانتومی دست پیدا کند. حالا محققان این شرکت توانسته‌اند به هدفشان دست پیدا کنند.

به چه درد می‌خورند؟
انقلاب اطلاعات طی چند دهه تمامی جوانب زندگی بشر را متحول کرده است. از چشم کسانی که کارشان تحلیل اطلاعات است، هر چیزی را می‌توان به‌صورت داده دید. فعالیت‌ افراد در زندگی، وضعیت آب‌وهوا، میزان تولید و ... همه‌‌چیز داده است. اما داده‌ها به‌خودی‌خود دریافت مفیدی از جهان به ما ارائه نمی‌کنند. باید آنها را مورد پردازش قرار داد. آنچه داده خام را به اطلاعات بدل می‌کند، پردازش است.  داده‌ها به‌صورت خام وارد کامپیوترها (محاسبه‌گرها) می‌شوند تا در تولید اطلاعات مورد استفاده قرار گیرند. به‌عنوان نمونه «برخورددهنده‌‌ بزرگ هادرونی» که توانسته دید دانشمندان را نسبت به جهان تغییر دهد در هر ثانیه، حدود ۳۰۰ گیگابایت داده تولید ‌می‌کند. این حجم داده در سال به ۲۵ پتابایت می‌‌رسد. تنها برای درک بهتر این عدد، بد نیست بدانید که برای گوش‌‌دادن به حجمی معادل ۲۵ پتابایت موزیک با فرمت MP3، شما به ۵۰ هزار سال زمان نیاز خواهید داشت! برای پردازش سیل عظیم داده‌هایی که در آینده تولید خواهند شد دانشمندان نیاز به پردازش و محاسبات سریع‌تر دارند. بر همین اساس رایانش کوانتومی، ظرفیت‌های علمی و تحقیقاتی فراوانی دارد. به‌احتمال زیاد، نخستین کاربردهای این نوع از رایانش برای شبیه‌سازی‌های تحقیقاتی در فیزیک و شیمی خواهد بود. شبیه‌سازی‌های مذکور به‌‌دلیل پیچیدگی زیاد عموما با کامپیوترهای سنتی انجام‌دادنی نیستند؛ به‌ویژه در شبیه‌سازی مواد شیمیایی پیچیده، کامپیوترهای کلاسیک توانایی چندانی ندارند. به‌علاوه، با استفاده از رایانش کوانتومی می‌توان پیشرفت‌های چشمگیری در داروسازی و حتی ساخت سلول‌های خورشیدی به‌دست آورد. درنهایت، توسعه‌ هوش مصنوعی و بهبود خودروهای خودران خواهد بود. طراحی مولکول‌هایی برای ساخت داروها، کمک به بانک‌ها برای تنظیم میزان ریسک پورتفولیوهای سرمایه‌‌گذاری، شکستن همه‌‌ شیوه‌های رمزنگاری فعلی و توسعه سیستم‌های جدیدتر و قوی‌تر و نهایتا یافتن راهی برای دیدن جهان در لحظات اولیه پس از مهبانگ در مرکز سرن، همگی طیف اهدافی قرار می‌‌گیرند که از سوی گروه‌های مختلف در حال پیگیری هستند.