چرا به اَبَرکامپیوترهای کوانتومی نیاز داریم: سفری به دنیای کوانتوم

بنا داریم سفری به دنیایِ اَبَرکامپیوترها داشته باشیم و ببینیم این ابزارها چطور کار می‌کنند و چه آینده‌ای انتظارمان را می‌کشد.

«فیزیک کوانتوم مطالعهٔ ماده و انرژی در بنیادی‌ترین سطح طبیعت است؛ می‌خواهیم بدانیم اجزای کلیدی و سازنده‌ٔ آن چطور کار می‌کنند.»

شاید گمان کنید که چون اغلب آزمایش‌های کوانتومی به‌روی اجسام فوق‌العاده ریزی مانند الکترون‌ها و فوتون‌ها انجام می‌شود، پدیده‌های کوانتومی در مقیاس‌های بزرگ‌تر وجود ندارند، امّا نه این تصوّر رایج و غلطی است، آن‌ها در هر مقیاسی کار خودشان را می‌کنند امّا فقط شناسایی‌شان در اجسام بزرگ‌ دشوارتر است. پس برای آغاز ماجرا، بیایید تصوّر این‌ را که پدیده‌های کوانتومی عجیب و غریب و غیرمعمول هستند به کناری بگذاریم تا ببینیم چه می‌شود!
    تمام داستان این است که علم کوانتوم بناست جاهای خالی توصیف ما از کارکرد کیهان را پُر کند تا بتوانیم نسخهٔ بهتر و کامل‌تری را از زندگی روزمره درک کنیم. مثلاً کشف‌های کوانتومی ما در علوم مواد، شیمی، زیست‌‌شناسی و نجوم سرچشمه‌های نوآوری‌های ارزشمندی شده‌اند که تا پیش از آن قابل انجام نبود. مثلِ لیزرها، ترانزیستورها و همین کامپیوترهای کوانتومی که می‌خواهیم امروز درباره‌اش بیشتر هم حرف بزنیم.
   کل‌هم اجمعین، فیزیک‌دان‌ها می‌کوشند که پتانسیل‌های بیشتری را از نظریهٔ کوانتومی در بیاورند که به نسبت قبل بهتر بتوانیم گرانش و ارتباطش با فضا و زمان را درک کنیم. حتّی از این هم فراتر برویم، دریابیم که چگونه همه‌چیزهای ممکن در جهان، در ابعاد بالاتر، که از قضا قادر به درک‌شان هم نیستیم، به‌هم متصل می‌شوند و کار می‌کنند!

‌ـــ‌ در ادامه بیایید کوتاه دربارهٔ ریشه‌های فیزیک کوانتوم و خاصیّت‌هایش بگوییم، آماده‌اید؟

نگاهی بر ریشه‌هایِ فیزیک کوانتومی

در آغاز قرن بیستم بود که مدل‌‌‌سازیِ کلاسیک از جهان، با مشاهداتِ تجربی ما از اتم‌ها جور در نمی‌آمد؛ چون هیچ پاسخ درست و حسابی‌ای به ما نمی‌داد؛ یک‌سر این‌طور بودیم که اِ، این دیگر چیست! مثلاً یک کشف اساسی این بود که ماده و انرژی در حقیقت، بسته‌های مجزایِ کوانتایی هستند که مقدارشان حداقلی است؛ این یعنی چه؟ بیایید مثال بزنیم، نور را تصوّر کنید، که در سطح کوانتومی انرژی را با فرکانس ثابت منتقل می‌کند. هر فوتون در این فرکانس دارای مقدار ثابتی از انرژی است، و این انرژی را نمی‌توان به واحدهای کوچک‌تری تقسیم کرد. در واقع، کلمهٔ پرسشی «کوانتا» هم از ریشهٔ لاتین است و معنای «چقدر؟» می‌دهد.

   اصولِ کوانتومی درک ما را از اتم‌ها‌ به کلی تغییر داد! همان‌طور که احتمالاً بدانید، مدل‌های آغازی، الکترون‌ها را به صورت ذرات چرخان به دور هسته، مشابه چرخش ماهواره به دور زمین، نشان می‌دادند؛ امّا فیزیک کوانتومی مدرن، الکترون‌ها را به صورت توزیع‌شده در اوربیتال‌ها درک می‌کند. اوربیتال‌؟ اوربیتال را تابع در نظر بگیرید. اگر سخت‌تان است، این مولفه‌ها را در ذهن بسپارید، «مداری / دوّار / گردشی» در واقع، آن‌ها توصیف‌هایی ریاضیاتی هستند که احتمال وجود الکترون را در بیش از یک مکان در محدوده‌ٔ مشخصی در هر زمان نشان می‌دهند؛ یک‌جور مدارگاهی که دَرَش الکترون‌ها می‌توانند هنگام گرفتن یا از دست دادن انرژی از یک اوربیتال به اوربیتال دیگر بپرند، و فکر این را هم که بتوان آن‌ها را بینابین اوربیتال‌ها شکار کرد، باید از سرمان بیرون کنیم!

مفاهیم اصلی دیگری نیز به شکل‌گیری پایه‌هایِ فیزیک کوانتومی کمک کردند:

• دوگانگی موج-ذره (Wave-particle duality): شکل‌گیری این اصل به روزهای اولیه‌ٔ علم کوانتوم بر می‌گردد. اصلی‌ که نتایج آزمایش‌هایی را توصیف می‌کند که نور و ماده بسته به نحوه‌ٔ اندازه‌گیری، خواص ذره‌ای یا موجی دارند. امروزه می‌دانیم که این اشکال مختلف انرژی در واقع نه ذره و نه موج هستند. آن‌ها اُبژه‌های کوانتومی منحصربه‌فردی هستند که درک‌شان آسان نیست.
• برهم‌نهی (Superposition): این اصطلاح، برای توصیف یک «چیز» ترکیبی از چند حالت بالقوه‌ و همزمان به کار می‌رود. یک چیز / اُبژهٔ برهم‌نهی‌شده شبیه تلاطم روی سطح برکه است که ترکیبی از هم‌پوشانی دو موج است. از نظر ریاضی، یک چیز را در برهم‌نهی می‌توان با معادله‌ای که بیش از یک راه‌حل یا نتیجه دارد، نشان داد.
• اصل عدم قطعیّت (Uncertainty principle): مفهومی ریاضیاتی‌ست که نمایانگرِ یک بده‌بستان بین دیدگاه‌های مکمل است. در فیزیک نظری، این بدان معناست که دو ویژگی یک شیء، مانند موقعیّت و سرعت آن، نمی‌توانند توأمان دقیق و همزمان اندازه‌گیری شوند. برای مثال، اگر موقعیّت یک الکترون را به طور دقیق اندازه‌گیری کنیم، در اندازه‌گیری سرعت آن با محدودیّت مواجه می‌شویم.
• درهم‌تنیدگی (Entanglement): این پدیده‌ای زمانی رخ می‌دهد که دو یا چند شیء به گونه‌ای به‌هم متصل شوند که بتوان آن‌ها را یک سیستم واحد در نظر گرفت، حتّی اگر هم از هم بسیار دور باشند باز هم همین آش و کاسه‌ست. وضعیّت یک شیء در آن سیستم بدون اطلاعات مربوط به وضعیت شیء دیگر قابل توصیف کامل نیست. به همین ترتیب، توصیفِ اطلاعات دربارهٔ یک شیء به طور خودکار چیزهایی را درباره‌ شیء دیگر و وارون آن به ما می‌گوید.

کارکرد رایانش کوانتومی

آن‌طورها هم که بعضی‌ها گمان می‌کنند، با یک غول بی‌شاخ و دم روبه‌رو نیستیم که نشود فهمیدش. هر کاری هم که بکنیم، رایانه‌های کوانتومی و رایانه‌های کلاسیک در بعضی از ویژگی‌ها مشترک‌اند. برای مثال، هر دو نوع رایانه معمولاً دارای تراشه، مدار و گیت‌های منطقی هستند. عملگرهای آن‌ها توسط الگوریتم‌ها (دستورالعمل‌های ترتیبی‌بنیاد) هدایت شده و از کد باینری صفر و یک برای نمایش اطلاعات استفاده می‌کنند.
   دیگر آن‌که، هر دو نوع رایانه از اُبژه‌های فیزیکی برای کدگذاری یک‌ها و صفرها استفاده می‌کنند. ولی تفاوت آن‌جایی می‌شود که در رایانه‌های کلاسیک، این اُبژه‌ها، بیت‌ها (رقم‌های باینری) را در دو حالت ۰ یا ۱ کدگذاری می‌کنند؛ یعنی چه؟ مثلاً در نظر بگیرید، جریان الکتریکی- یا روشن است یا خاموش؛ یک آهن‌ربا یک قطب مثبت دارد و یک منفی، درست؟

   امّا در طرف دیگر ماجرا و بر خلاف رایانه‌های کلاسیک، رایانه‌های کوانتومی از بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت‌ها بهره می‌گیرند که اطلاعات را متفاوت پردازش می‌کنند. یعنی یک کیوبیت می‌تواند، تا زمانی که حالت آن اندازه‌گیری شود، همزمان در برهم‌نهی‌ای از یک و صفر باشد. علاوه بر این، یک ویژگی‌ بسیار متفاوت دیگر هم دارند؛ در رایانش کوانتومی حالت‌های مختلف چند کیوبیت می‌تواند درهم‌تنیده شوند و از دیدِ مکانیکی کوانتومی به‌هم مرتبط بمانند، به بیانی همان سیستم بودن. بنابراین، برهم‌نهی و درهم‌تنیدگی امکاناتی را به رایانه‌های کوانتومی می‌بخشند که در محاسبات کلاسیک محلی از اعراب ندارد.
   در نهایت، حتّی کیوبیت‌ها را می‌توان با دستکاری اتم‌ها، با جریان الکتریکی یونیزه کرد، یا از آن‌ها الکترون‌ها ساخت و یا با مهندسی نانو، اتم‌های مصنوعی (اصطلاحاً)، مانند مدارهایِ کیوبیت‌های ابررسانا، که از روش چاپی به نام لیتوگرافی، طراحی و تولید کرد.

معرفی انواع فناوری کوانتومی

دنیای کوانتومی هنوز تمام ابعادش بر ما معلوم نیست و تو گویی نهالی باشد که نیاز به مراقبت و توسعهٔ زیادی دارد، امّا به هر روی، می‌توانیم چند نمونه از فناوری‌های مبتنی بر کوانتوم را نام ببریم که هر یک به تنهایی می‌توانند به راه‌حل‌هایی کاربردی تبدیل شوند:

• رمزنگاری کوانتومی (Quantum cryptography): رمزگذاری‌ای که از ویژگی‌های طبیعی مکانیک کوانتومی برای ایمن‌سازی و انتقال اطلاعات استفاده می‌کند. رمزنگاری کوانتومی با سیستم‌های رمزنگاری سنتی در این تفاوت دارد که به جای ریاضیات، از فیزیک برای ایمن‌تر شدن بهره می‌گیرد.
• پردازش کوانتومی (Quantum processing): هم‌اکنون پردازش کوانتومی از چند راه مختلف قابل دستیابی است. مانند پردازنده‌های تله‌ٔ یونی گیت‌بنیاد، پردازنده‌های ابررسانای گیت‌بنیاد، پردازنده‌های فوتونیکی، پردازنده‌های اتم خنثی، پردازنده‌های اتم ریدبرگ و آنیلرهای کوانتومی که هر یک از ویژگی‌های فیزیک کوانتومی استفاده می‌کنند، اما در ساختار و شیوهٔ پیاده‌سازی‌شان تفاوت‌های  ظریفی وجود دارد.
• حسگر کوانتومی (Quantum sensing): این فرایندی است برای جمع‌آوری داده‌ها در سطح اتمی با استفاده از فناوری حسگرهایی که می‌توانند تغییرات رخ داده را در حرکت‌ها، میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی تشخیص دهند. حسگریِ کوانتومی در تصویربرداری رزونانس مغناطیسی (MRI)نیز استفاده شده و در نتیجه، بهبودهایی در تفکیک‌پذیری و سرعت پردازش از خود نشان داده است.

کاربردها و چالش‌های رایانه‌های کوانتومی

بی‌راه نیست که بگوییم هر کشوری که بتواند در حوزهٔ رایانش کوانتومی و توسعهٔ هوش مصنوعی رقبا را کنار بزند، قرن پیش‌رو تو مشتش خودش گرفته؛ حال بناست که چه چیزهایی تفاوت بکند، سرعت، پیچیدگی، چه؟ بیایید ببینیم ماجرا چیست.

• سرعت: رایانه‌های کلاسیک در مقابل رایانه‌های کوانتومی در سرعت پردازش تقریباً هیچ حرفی برای گفتن ندارند. مثلاً: رایانه‌های کوانتومی می‌توانند مدل‌ مونت کارلو را برای سنجش احتمال نتایج و ریسک‌های مرتبط به خوبی حل و فصل کند.
• توانایی حل فرآیندهای پیچیده: رایانه‌های کوانتومی برای انجام چندین محاسبه پیچیده به طور همزمان طراحی شده‌اند. این ویژگی می‌تواند به طور خاص برای تجزیه‌ها (factorization) مفید باشد که به خودی خود، قدمی است در توسعه‌ی فناوری‌های رمزگشایی.
• شبیه‌سازی: رایانه‌های کوانتومی می‌توانند شبیه‌سازی‌های پیچیده‌ای را اجرا کنند. آنها به اندازه‌ی کافی سریع هستند که برای شبیه‌سازی سیستم‌های درهم‌تنیده‌تر از رایانه‌های کلاسیک مورد استفاده قرار گیرند. به عنوان نمونه، این امر می‌تواند برای شبیه‌سازی‌های مولکولی که در توسعه‌ی داروهای تجویزی اهمیت دارند، بسیار مفید باشد.
• بهینه‌سازی: با توانایی رایانه‌های کوانتومی در پردازش مقادیر عظیمی از داده‌های پیچیده، این فناوری پتانسیل متحول کردن هوش مصنوعی (AI) و یادگیری ماشین (ML) را در سطوح بسیار پیشرفته دارد.

   امّا تمام این‌ها به معنای نبود مشکلات نیست، یکی از بزرگترین چالش‌ها، حفظ پایداری و صحت کیوبیت‌ها است. کیوبیت‌ها به دلیل حساسیت بالای‌شان به تغییرات محیطی مانند دما، نویز و تشعشعات خارجی، به سرعت دچار نویز و خطا می‌شوند که این پدیده به نام «ناهمدوسی کوانتومی» شناخته می‌شود. برای مقابله با این مشکل، روش‌های تصحیح خطا و نیاز به محیط‌های بسیار سرد و عایق‌بندی‌شده وجود دارد که بسیار هزینه‌بر و پیچیده است.

   از این‌ها گذشته، ساخت و نگهداری تعداد زیادی کیوبیت‌های متصل به یکدیگر به طور همزمان نیز چالش عظیمی‌ است. در حال حاضر، ساختن رایانه‌های کوانتومی با تعداد کیوبیت‌های زیاد که بتوانند عملیات پیچیده و گسترده‌ای را انجام دهند، اگر نگوییم غیرممکن (از نظر فنّی) امّا بسیار دشوار است. همچنین، الگوریتم‌ها و نرم‌افزارهای کوانتومی نیز نیاز به توسعهٔ بیشتری دارند تا بتوانند از ظرفیت کامل این رایانه‌ها بهره‌برداری کنند.
   یک مصیبت دیگر ماجرا هم، عدم توانایی اجرای برنامه‌های موجود کلاسیک روی رایانه‌های کوانتومی است؛ چون این‌جور رایانه‌ها نیاز به الگوریتم‌های خاصی دارند که بر اساس مکانیک کوانتومی طراحی شده باشند. در ثانی، پیاده‌سازی و اجرایی‌سازی این الگوریتم‌ها خود به خود به تنهایی،‌یک چالش بزرگ است. القصه که علی‌رغم پتانسیل‌های بسیار رایانه‌های کوانتومی امّا تا رسیدن به کاربردهای عملی و گسترده، نیازمند تحقیقات و پیشرفت‌های بیشتری هستیم.

‌ـــ‌ با این اوصاف، چیزی به نام رایانه‌ و اَبَررایانه‌های کوانتومی واقعاً در کار است؟

پیشگامان رایانه‌های کوانتومی 

در پاسخ به پرسش قبل، باید بگویم که بله، ما رایانه‌های کوانتومی داریم امّا هنوز به حداکثر پتانسیل‌هایش نرسیده‌ایم و هیچ اَبرکامپیوتر کوانتومی‌ای نیز وجود ندارد. صرفاً دولت آلمان با کمک یک شرکت خصوصی توانسته ابرکامپیوتر کلاسیک را با رایانه‌ای کوانتومی تلفیق کند که در ادامه بیشتر درباره‌اش می‌گوییم. ما در این بخش، بنا داریم ۳ مدل پیشرفته را معرفی کنیم:

• رایانه‌های کوانتومی سری H شرکت Quantinuum (کوانتینوم): این رایانه‌ها از فناوری تله‌ی یونی استفاده می‌کنند و در کیوبیت‌های منطقی با وفاداری بالا پیشرفت‌های قابل توجهی را نشان داده‌اند. آن‌ها از طریق تکنیک‌های پیشرفته‌ی تصحیح خطا، محاسبات کوانتومی قابل اعتمادتری را ارائه می‌دهند. همکاری کوانتینوم با مایکروسافت منجر به تولید سیستم‌هایی شده که قادر به انجام هزاران آزمایش بدون خطا هستند و آن‌ها را به پیشتازان در حوزه‌ی رایانه‌های کوانتومی مقاوم در برابر خطا تبدیل کرده است.

• پردازنده‌های کلاس Heron شرکت IBM: پردازنده‌های جدید Heron R2 شرکت IBM با 133 کیوبیت و معیارهای وفاداری بهبود یافته، جهشی قابل توجه به جلو را نشان می‌دهند. IBM همچنین معیارهای عملکرد جدیدی مانند خطا به ازای هر گیت لایه‌ای (EPLG) را معرفی کرده و اندازه‌گیری CLOPS را برای ثبت بهتر قابلیت‌های پردازنده‌های کوانتومی بزرگ‌تر خود به‌روزرسانی کرده. استراتژی IBM گسترش شبکه رایانه‌های کوانتومی و ادغام نرم‌افزار پیشرفته‌ی سرکوب خطا برای بهبود عملکرد است.
• سیستم 1000+ کیوبیتیِ Atom Computing:  اتم کامپیوتینگ با توسعه‌ی یک رایانه‌ی کوانتومی با بیش از 1000 کیوبیت، که مبتنی بر اتم‌هایی با زمان‌های همبستگی طولانی هستند، به یک نقطه عطف دست یافته. دستاورد‌ی که آن‌ها را پیشتاز در ایجاد سیستم‌های کوانتومی مقیاس‌پذیر برای انجام محاسبات پیچیده فراتر از توان رایانه‌های کلاسیک قرار داده است.

اندکی درباره‌ٔ تلفیق رایانه کوانتومی و ابررایانهٔ کلاسیک

شرکت رایانه‌های کوانتومی IQM با همکاری مرکز محاسبات با کارایی بالا لایبنیتس (LRZ) نخستین رایانهٔ کوانتومی ترکیبی را که ادغامی از یک کامپیوتر کوانتومی ۲۰ کیوبیتی در ابررایانه‌ی SuperMUC-NG است معرفی کرده‌اند. حسب‌الظاهر، واحد پردازش کوانتومی که مبتنی بر مدارهای ابررسانا است، با فناوری رایانه‌ی معمولی ترکیب شده و این دو سیستم در حال حاضر به صورت آزمایشی داده‌ها را با هم تبادل می‌کنند. این سیستم ترکیبی برای کارکرد روزانه در LRZ آماده می‌شود و به پژوهشگران منتخب اجازه می‌دهد تا از راه دور به آن دسترسی پیدا کرده و آزمایش‌اش کنند.

   وزارت آموزش و پرورش آلمان، با اختصاص بودجه‌ای بیش از ۴۰ میلیون یورو این پروژه‌ را با نام «ادغام رایانه‌ی کوانتومی برای محاسبات با کارایی بالا در اگزاسکِیل (Q-Exa)» تأمین مالی کرد.  همان‌طور که بالاتر هم گفتیم، هدف این پروژه اتصال واحدهای پردازش کوانتومی به یک ابررایانه و توسعه‌ی رابط‌ها و ابزارهای کنترل برای این کار بود. 

مفصل‌بندی بحث

جهان پیش‌روی ما پر است از چالش‌های زیست محیطی، توسعهٔ ناپایدار و همه‌گیری‌ها؛ مگر نه این‌که کرونا به‌مان نشان داد که هنوز که هنوز است تا چه اندازه در برابر بیماری‌ها آسیب‌پذیر هستیم؟ از همین‌رو، وجود اَبررایانه‌های کوانتومی می‌تواند در توسعهٔ واکسن‌ها و داروها، تغییرات اقلیمی و بهبود سطح رفاه انسانی به صورت مستقیم و غیرمستقیم کمک حال باشد. علی‌رغم این‌که هنوز ما یک اَبررایانهٔ کوانتومی واقعی نداریم، امّا احتمالاً با ورودمان به دهه‌ٔ ۲۰۴۰ اتفاقات محیرالعقولی در این حوزه بی‌افتد که حتّی ممکن است چشم‌انداز زندگی بشر را دچار تغییرات شگرف کند. ‌ـــ‌ چه کسی می‌داند؟