منو
محاسبات کوانتومی یک رشته نوظهور از علوم کامپیوتری پیشرفته است که از ویژگیهای منحصر به فرد مکانیک کوانتومی استفاده میکند تا مشکلات پیچیدهتری را نسبت به حتی قویترین رایانههای کلاسیک حل کند.
این فناوری شامل رشتههای مختلفی از جمله سختافزار و الگوریتمهای کوانتومی است. در حالی که هنوز در حال توسعه است، به زودی میتواند مشکلات پیچیدهای را حل کند که ابررایانهها قادر به حل آنها نیستند یا با سرعت کافی نمیتوانند حل کنند.
با بهرهگیری از فیزیک کوانتومی، کامپیوترهای کوانتومی میتوانند مسائل بسیار پیچیده را با سرعتی بسیار بالاتر از ماشینهای مدرن پردازش کنند. چالشهایی که برای یک کامپیوتر کلاسیک هزاران سال طول میکشد تا حل شود، ممکن است برای یک کامپیوتر کوانتومی فقط چند دقیقه زمان ببرد.
مطالعه ذرات زیر اتمی، که به نام مکانیک کوانتومی شناخته میشود، اصول طبیعی منحصر به فردی را آشکار میکند. کامپیوترهای کوانتومی از این پدیدهها برای محاسبه احتمالات و مکانیک کوانتومی استفاده میکنند.
این فناوری چه تاثیری میتواند بر آینده محاسبات و صنایع مختلف داشته باشد؟ چه چالشهایی در راه توسعه و بهرهبرداری از آن وجود دارد؟ این مقاله به بررسی این موضوعات و بیشتر میپردازد.
برای درک محاسبات کوانتومی، باید این چهار اصل کلیدی مکانیک کوانتومی را بشناسید:
برهمنهی: حالتی که یک ذره یا سیستم کوانتومی میتواند ترکیبی از چندین احتمال را نشان دهد.
درهمتنیدگی: فرآیندی که در آن ذرات کوانتومی قویتر از آنچه احتمال عادی اجازه میدهد، با هم مرتبط میشوند.
ناهمدوسی: فرآیندی که در آن ذرات و سیستمهای کوانتومی فروپاشی یا تغییر میکنند و به حالتهای منفردی تبدیل میشوند که توسط فیزیک کلاسیک قابل اندازهگیری هستند.
تداخل: پدیدهای که در آن حالتهای کوانتومی درهمتنیده میتوانند برهمکنش داشته باشند و احتمالهای مختلفی را ایجاد کنند.
رایانههای کلاسیک به بیتهای باینری (صفر و یک) برای ذخیره و پردازش دادهها متکی هستند، در حالی که رایانههای کوانتومی از بیتهای کوانتومی یا کیوبیتها استفاده میکنند. کیوبیت میتواند ترکیبی از صفر و یک را همزمان نشان دهد.
هنگامی که کیوبیتها با هم ترکیب میشوند، به صورت نمایی مقیاس میشوند. دو کیوبیت میتوانند با چهار قطعه اطلاعات کار کنند، سه کیوبیت با هشت، و چهار کیوبیت با شانزده.
هر کیوبیت تنها میتواند یک بیت اطلاعات را در پایان محاسبات خروجی دهد. الگوریتمهای کوانتومی با ذخیره و دستکاری اطلاعات به گونهای کار میکنند که برای رایانههای کلاسیک غیرقابل دسترس است، و میتواند برای مشکلات خاصی افزایش سرعت ایجاد کند.
با توسعه تراشههای سیلیکونی و ابررساناها، ممکن است به زودی به محدودیت مادی در قدرت محاسباتی رایانههای کلاسیک برسیم. محاسبات کوانتومی میتواند مسیری رو به جلو برای برخی از مسائل مهم فراهم کند.
موسسات پیشرو مانند IBM، مایکروسافت، گوگل و آمازون در کنار استارتآپهایی مانند Rigetti و IonQ در این فناوری سرمایهگذاریهای هنگفت کردهاند. تخمین زده میشود که محاسبات کوانتومی تا سال 2035 به یک صنعت 1.3 تریلیون دلاری تبدیل شود.
تفاوت اصلی بین کامپیوترهای کلاسیک و کوانتومی استفاده از کیوبیتها به جای بیتها برای ذخیرهسازی اطلاعات بیشتر است. در حالی که محاسبات کوانتومی از کد باینری استفاده میکند، کیوبیتها اطلاعات را به شیوهای متفاوت پردازش میکنند. اما کیوبیتها چیستند و از کجا میآیند؟
کیوبیتها از طریق دستکاری و اندازهگیری ذرات کوانتومی ایجاد میشوند. این ذرات شامل فوتونها، الکترونها، یونهای به دام افتاده و اتمها هستند. همچنین، کیوبیتها میتوانند از سیستمهایی که مانند ذرات کوانتومی رفتار میکنند، مانند مدارهای ابررسانا، ساخته شوند.
برای دستکاری این ذرات، کیوبیتها باید به شدت سرد شوند تا نویز به حداقل برسد و نتایج نادرست یا خطاهای ناشی از ناهمدوسی ناخواسته کاهش یابد.
امروزه انواع مختلفی از کیوبیتها در محاسبات کوانتومی استفاده میشود که برخی از آنها برای انواع مختلف وظایف مناسبتر هستند. در ادامه چند نوع رایج از کیوبیتها آمده است:
کیوبیتهای ابررسانا: این کیوبیتها از مواد ابررسانا ساخته شدهاند که در دماهای بسیار پایین کار میکنند. این کیوبیتها به دلیل سرعت در انجام محاسبات و کنترل دقیق مورد توجه قرار گرفتهاند.
کیوبیتهای یون به دام افتاده: ذرات یون به دام افتاده میتوانند به عنوان کیوبیت استفاده شوند. این کیوبیتها برای زمانهای انسجام طولانی و اندازهگیریهای با وفاداری بالا مورد توجه هستند.
نقاط کوانتومی: نقاط کوانتومی نیمههادیهای کوچکی هستند که یک الکترون را به دام میاندازند و از آن به عنوان کیوبیت استفاده میکنند. این کیوبیتها پتانسیل بالایی برای مقیاسپذیری و سازگاری با فناوری نیمههادی موجود دارند.
فوتونها: فوتونها ذرات نوری جداگانهای هستند که برای ارسال اطلاعات کوانتومی در فواصل طولانی از طریق کابلهای فیبر نوری استفاده میشوند. این کیوبیتها در ارتباطات کوانتومی و رمزنگاری کوانتومی کاربرد دارند.
اتمهای خنثی: اتمهای خنثی که با لیزر شارژ میشوند، برای مقیاسبندی و انجام عملیات مناسب هستند.
هنگام پردازش یک مسئله پیچیده، مانند فاکتورگیری اعداد بزرگ، بیتهای کلاسیک با نگهداری مقادیر زیادی از اطلاعات به هم متصل میشوند. بیتهای کوانتومی رفتار متفاوتی دارند. از آنجایی که کیوبیتها میتوانند برهمنهی داشته باشند، یک کامپیوتر کوانتومی که از کیوبیتها استفاده میکند، میتواند به روشهای متفاوتی به مسئله نزدیک شود.
برای درک بهتر نحوه استفاده کامپیوترهای کوانتومی از کیوبیتها برای حل مسائل پیچیده، تصور کنید که در مرکز یک پیچ و خم پیچیده ایستادهاید. برای فرار از پیچ و خم، یک کامپیوتر سنتی باید مشکل را با “اجبار بیرحمانه” حل کند و هر ترکیب ممکنی از مسیرها را بررسی کند. این نوع کامپیوتر از بیتها برای کشف مسیرهای جدید استفاده میکند و به یاد میآورد که کدام مسیرها بنبست هستند.
در مقایسه، یک کامپیوتر کوانتومی ممکن است یک نمای چشم پرنده از پیچ و خم بدست آورد. این کامپیوتر چندین مسیر را به طور همزمان آزمایش میکند و از تداخل کوانتومی برای آشکار کردن راهحل صحیح استفاده میکند. با این حال، کیوبیتها چندین مسیر را همزمان آزمایش نمیکنند. کامپیوترهای کوانتومی دامنه احتمال کیوبیتها را برای تعیین یک نتیجه اندازهگیری میکنند. این دامنهها مانند امواج عمل میکنند و با یکدیگر تداخل دارند. هنگامی که امواج ناهمزمان همپوشانی دارند، به طور مؤثر راهحلهای ممکن برای مسائل پیچیده را حذف میکنند و موج یا امواج منسجم تحقق یافته راهحل را ارائه میدهند.
هنگام بحث در مورد کامپیوترهای کوانتومی، درک این نکته مهم است که مکانیک کوانتومی مانند فیزیک سنتی نیست. رفتار ذرات کوانتومی اغلب عجیب و غیرممکن به نظر میرسد. با این حال، قوانین مکانیک کوانتومی نظم جهان طبیعی را دیکته میکنند.
توصیف رفتار ذرات کوانتومی یک چالش منحصر به فرد است. بیشتر پارادایمهای عقل سلیم برای جهان طبیعی فاقد واژگانی برای ارتباط با رفتارهای شگفتانگیز ذرات کوانتومی هستند.
برای درک محاسبات کوانتومی، باید چند اصطلاح کلیدی را بدانیم:
1. **برهمنهی**
2. **درهمتنیدگی**
3. **ناهمدوسی**
4. **تداخل**
خود کیوبیت خیلی مفید نیست. اما میتواند اطلاعات کوانتومی را که در خود نگه میدارد در حالت برهمنهی قرار دهد، که ترکیبی از تمام تنظیمات ممکن کیوبیت را نشان میدهد. گروههایی از کیوبیتها در برهمنهی میتوانند فضاهای محاسباتی پیچیده و چند بعدی ایجاد کنند. مسائل پیچیده را میتوان به شیوههای جدیدی در این فضاها نشان داد.
این برهمنهی کیوبیتها به کامپیوترهای کوانتومی توازی ذاتی میدهد و به آنها اجازه میدهد تا بسیاری از ورودیها را بهطور همزمان پردازش کنند.
درهمتنیدگی توانایی کیوبیتها برای همبستگی حالت خود با کیوبیتهای دیگر است. سیستمهای درهمتنیده به قدری به هم مرتبط هستند که وقتی پردازندههای کوانتومی یک کیوبیت درهمتنیده را اندازهگیری میکنند، بلافاصله میتوانند اطلاعات مربوط به کیوبیتهای دیگر در سیستم درهمتنیده را تعیین کنند.
هنگامی که یک سیستم کوانتومی اندازهگیری میشود، حالت آن از برهمنهی احتمالات به حالت دودویی فرو میریزد، که میتواند مانند کد باینری به عنوان صفر یا یک ثبت شود.
ناهمدوسی فرآیندی است که در آن یک سیستم در حالت کوانتومی به حالت غیرکوانتومی فرو میریزد. این فرایند میتواند عمداً با اندازهگیری یک سیستم کوانتومی یا بهطور ناخواسته توسط عوامل محیطی ایجاد شود. ناهمدوسی به رایانههای کوانتومی اجازه میدهد تا اندازهگیریها را انجام دهند و با رایانههای کلاسیک تعامل داشته باشند.
محیطی از کیوبیتهای درهمتنیده که در حالت برهمنهی جمعی قرار میگیرند، اطلاعات را به گونهای ساختار میدهند که شبیه امواج است، با دامنههای مرتبط با هر نتیجه. این دامنهها به احتمالات نتایج یک اندازهگیری سیستم تبدیل میشوند. این امواج میتوانند زمانی که بسیاری از آنها در یک نتیجه خاص به اوج میرسند، تقویت شوند، یا زمانی که قلهها و فرورفتگیها در تعامل هستند، یکدیگر را خنثی کنند. تقویت یک احتمال یا لغو احتمالات دیگر هر دو اشکال تداخل هستند.
برای درک بهتر محاسبات کوانتومی، در نظر بگیرید که دو ایده ضد شهودی هر دو می توانند درست باشند. اولین مورد این است که اشیایی که می توانند اندازه گیری شوند – کیوبیت ها در برهم نهی با دامنه های احتمال مشخص – به طور تصادفی رفتار می کنند. دوم این است که اشیاء بسیار دورتر از آنکه بر یکدیگر تأثیر بگذارند – کیوبیتهای درهمتنیده – همچنان میتوانند به گونهای رفتار کنند که اگرچه بهصورت جداگانه تصادفی هستند، اما به نوعی همبستگی قوی دارند.
محاسبات بر روی یک کامپیوتر کوانتومی با تهیه برهم نهی از حالات محاسباتی کار می کند. یک مدار کوانتومی که توسط کاربر تهیه شده است، از عملیات برای ایجاد درهم تنیدگی استفاده می کند که منجر به تداخل بین این حالت های مختلف می شود، همانطور که توسط یک الگوریتم اداره می شود. بسیاری از نتایج احتمالی از طریق تداخل لغو می شوند، در حالی که برخی دیگر تقویت می شوند. نتایج تقویتشده راهحلهایی برای محاسبات هستند.
محاسبات کوانتومی بر اساس اصول مکانیک کوانتومی ساخته شده است که نحوه رفتار ذرات زیراتمی را متفاوت از فیزیک سطح کلان توصیف میکند. از آنجایی که مکانیک کوانتومی قوانین اساسی کل جهان ما را در سطح زیراتمی ارائه میکند، هر سیستمی یک سیستم کوانتومی است.
رایانههای معمولی نیز بر روی سیستمهای کوانتومی ساخته میشوند، اما در حین محاسبات از استفاده کامل از خواص مکانیکی کوانتومی شکست میخورند. رایانههای کوانتومی از مکانیک کوانتومی برای انجام محاسباتی که حتی رایانههای با کارایی بالا نیز قادر به انجام آن نیستند، بهره میبرند.
از دستگاههای پانچ کارت قدیمی گرفته تا ابررایانههای مدرن، رایانههای سنتی (یا کلاسیک) به همین شکل عمل میکنند. این ماشینها معمولاً محاسبات را به صورت متوالی انجام میدهند و دادهها را با استفاده از بیتهای باینری ذخیره میکنند. هر بیت نشاندهنده 0 یا 1 است.
وقتی بیتها در کد باینری ترکیب و با استفاده از عملیات منطقی دستکاری میشوند، میتوانیم از رایانهها برای ایجاد همه چیز از سیستمعاملهای ساده گرفته تا پیشرفتهترین محاسبات ابری استفاده کنیم.
کامپیوترهای کوانتومی مشابه کامپیوترهای کلاسیک عمل میکنند، اما به جای بیت از کیوبیت استفاده میکنند. کیوبیتها سیستمهای خاصی هستند که مانند ذرات زیراتمی از اتمها، مدارهای الکتریکی ابررسانا یا سیستمهای دیگر ساخته شدهاند. در این سیستمها، دادهها در مجموعهای از دامنهها به جای دو حالت (0 یا 1) برای هر دو 0 و 1 ذخیره میشوند. این مفهوم مکانیکی کوانتومی پیچیده، برهمنهی نامیده میشود. از طریق فرآیندی به نام درهمتنیدگی کوانتومی، این دامنهها میتوانند به طور همزمان روی چندین کیوبیت اعمال شوند.
توسط رایانهها و دستگاههای معمولی و چند منظوره استفاده میشود.
اطلاعات را در بیتهایی با تعداد گسستهای از حالتهای ممکن، 0 یا 1، ذخیره میکند.
دادهها را به صورت منطقی و متوالی پردازش میکند.
توسط سختافزار کوانتومی مبتنی بر مکانیک کوانتومی تخصصی و تجربی استفاده میشود.
اطلاعات را در کیوبیت به صورت 0، 1 یا برهمنهی 0 و 1 ذخیره میکند.
دادهها را با منطق کوانتومی در نمونههای موازی و با تکیه بر تداخل پردازش میکند.
پردازندههای کوانتومی معادلات ریاضی را مانند رایانههای کلاسیک انجام نمیدهند. برخلاف کامپیوترهای کلاسیک که باید هر مرحله از یک محاسبه پیچیده را انجام دهند، مدارهای کوانتومی ساختهشده از کیوبیتهای منطقی میتوانند مجموعه دادههای عظیمی را بهطور همزمان با عملیاتهای مختلف پردازش کنند و کارایی را برای مسائل خاص بهبود بخشند.
رایانههای کوانتومی این قابلیت را دارند زیرا احتمالاتی هستند و محتملترین راهحل را برای یک مشکل پیدا میکنند، در حالی که رایانههای سنتی قطعی هستند و برای تعیین یک نتیجه خاص از هر ورودی به محاسبات پر زحمت نیاز دارند.
در حالی که رایانههای سنتی معمولاً پاسخهای تکی ارائه میدهند، ماشینهای کوانتومی احتمالی معمولاً طیفی از پاسخهای ممکن را ارائه میدهند. این محدوده ممکن است محاسبات کوانتومی را نسبت به محاسبات سنتی دقیقتر کند. با این حال، برای انواع مشکلات فوقالعاده پیچیدهای که کامپیوترهای کوانتومی ممکن است روزی حل کنند، این روش محاسباتی بهطور بالقوه میتواند صدها هزار سال محاسبات سنتی را نجات دهد.
در حالی که کامپیوترهای کوانتومی برای انواع خاصی از مشکلاتی که به مجموعه دادههای بزرگ نیاز دارند یا برای تکمیل مشکلات دیگر مانند فاکتورسازی اولیه پیشرفته بسیار برتر از رایانههای کلاسیک هستند، محاسبات کوانتومی برای همه یا حتی اکثر مشکلات ایدهآل نیست.
بهطور واقعبینانه، کامپیوترهای کلاسیک برای اکثر برنامههای فعلی خود استفاده خواهند شد. با این حال، رایانههای کوانتومی متصل به ابر یا اکوسیستمهای ترکیبی در حال حاضر برای کشف طیف گستردهای از برنامههای کاربردی پیشرفته پیادهسازی شدهاند. همانطور که محاسبات کوانتومی به پیشرفت خود ادامه میدهد، میتوانیم انتظار داشته باشیم که این فناوری نهتنها بر صنایع موجود تأثیر بگذارد، بلکه بهطور بالقوه صنایع جدیدی را نیز باز کند.
برای بسیاری از انواع کارها و چالشها، رایانههای سنتی همچنان بهترین راهحل باقی میمانند. اما زمانی که دانشمندان و مهندسان با مشکلات بسیار پیچیدهای مواجه میشوند، محاسبات کوانتومی وارد عمل میشود. در این نوع محاسبات دشوار، حتی قویترین ابررایانهها نیز در مقایسه با قدرت محاسبات کوانتومی کمکاربرد به نظر میرسند.
مسائل پیچیده مشکلاتی هستند که تعداد زیادی از متغیرها به روشهای پیچیدهای با هم تعامل دارند. مدلسازی رفتار اتمهای منفرد در یک مولکول مثالی از یک مشکل پیچیده است. شناسایی فیزیک جدید در یک ابر برخورد کننده نیز چنین مشکلی است. برخی از این مشکلات به اندازهای پیچیده هستند که نمیدانیم چگونه با رایانههای کلاسیک در هر مقیاسی آنها را حل کنیم.
رایانههای کلاسیک ممکن است در کارهای دشواری مانند مرتبسازی یک پایگاه داده بزرگ از مولکولها عالی عمل کنند. اما برای حل مسائل پیچیدهتر، مانند شبیهسازی نحوه رفتار مولکولها، ناکام میمانند. امروزه دانشمندان برای شناخت رفتار یک مولکول باید آن را سنتز کرده و در دنیای واقعی آزمایش کنند. تغییرات جزئی در مولکول نیازمند ترکیب و آزمایش مجدد است که فرآیندی پرهزینه و وقتگیر است.
یک ابرکامپیوتر کلاسیک ممکن است رفتار مولکولی را با نیروی بیرحم شبیهسازی کند. با استفاده از پردازندههای متعدد، این دستگاه هر راه ممکن را برای رفتار بخشهای مختلف مولکول بررسی میکند. اما با عبور از سادهترین مولکولها، ابررایانه متوقف میشود. هیچ کامپیوتری حافظه کافی برای مدیریت همه جایگشتهای ممکن رفتار مولکولی ندارد.
الگوریتمهای کوانتومی رویکرد جدیدی را برای مسائل پیچیده اتخاذ میکنند. این الگوریتمها فضاهای محاسباتی چند بعدی ایجاد میکنند و محاسباتی که شبیه به مولکولها عمل میکنند را اجرا میکنند. این روش برای حل مسائل پیچیده مانند شبیهسازیهای شیمیایی بسیار کارآمدتر به نظر میرسد.
شرکتهای مهندسی، مؤسسات مالی و شرکتهای حملونقل جهانی در حال بررسی موارد استفادهای هستند که رایانههای کوانتومی میتوانند مشکلات مهمی را در زمینههای خود حل کنند. پیشرفت در سختافزار و الگوریتمهای کوانتومی باعث خواهد شد بسیاری از مسائل بزرگ مانند شبیهسازی مولکولی راهحلهایی پیدا کنند.
اولین بار در اوایل دهه 1980 نظریهپردازی شد. در سال 1994، ریاضیدان MIT، پیتر شور، یکی از اولین کاربردهای عملی در دنیای واقعی برای ماشین کوانتومی را منتشر کرد. الگوریتم شور برای فاکتورسازی اعداد صحیح نشان داد که چگونه یک کامپیوتر مکانیکی کوانتومی میتواند پیشرفتهترین سیستمهای رمزنگاری آن زمان را، که برخی از آنها امروزه نیز استفاده میشوند، بشکند. یافتههای شور یک کاربرد قابلقبول برای سیستمهای کوانتومی را نشان داد که پیامدهای چشمگیری نه تنها برای امنیت سایبری، بلکه بسیاری از زمینههای دیگر داشت.
کامپیوترهای کوانتومی در حل مسائل پیچیده خاص با پتانسیل سرعت بخشیدن به پردازش مجموعه دادههای در مقیاس بزرگ برتری دارند. از توسعه داروهای جدید و انجام یادگیری ماشین به روشی جدید تا بهینهسازی زنجیره تامین و چالشهای تغییرات آب و هوا، محاسبات کوانتومی ممکن است کلید پیشرفت در تعدادی از صنایع حیاتی باشد.
رایانههای کوانتومی که قادر به شبیهسازی رفتار مولکولی و واکنشهای بیوشیمیایی هستند، میتوانند تحقیقات و توسعه داروهای جدید و درمانهای پزشکی را به طور گستردهای سرعت بخشند.
به همان دلایلی که رایانههای کوانتومی میتوانند بر تحقیقات پزشکی تأثیر بگذارند، همچنین ممکن است راهحلهای کشفنشدهای برای کاهش محصولات جانبی شیمیایی خطرناک یا مخرب ارائه دهند. محاسبات کوانتومی میتواند به کاتالیزورهای بهبود یافتهای منجر شود که جایگزینهای پتروشیمی یا فرآیندهای بهتری را برای تجزیه کربن لازم برای مبارزه با انتشارات تهدیدکننده آبوهوا ممکن میکند.
با افزایش علاقه و سرمایهگذاری در هوش مصنوعی (AI) و زمینههای مرتبط مانند یادگیری ماشین، محققان مدلهای هوش مصنوعی را به سمت افراطهای جدید سوق میدهند و محدودیتهای سختافزار موجود را آزمایش میکنند، که نیازمند مصرف انرژی فوقالعادهای است. شواهدی وجود دارد که برخی از الگوریتمهای کوانتومی ممکن است بتوانند مجموعههای داده را به روشی جدید ببینند و سرعت بخشیدن به برخی مشکلات یادگیری ماشین را فراهم کنند.
در حالی که دیگر صرفاً نظری نیست، محاسبات کوانتومی هنوز در حال توسعه است. دانشمندان در سراسر جهان در تلاش هستند تا تکنیکهای جدیدی برای بهبود سرعت، قدرت و کارایی ماشینهای کوانتومی کشف کنند. فناوری به نقطه عطفی نزدیک میشود و ما تکامل محاسبات کوانتومی مفید را با استفاده از مفاهیم مزیت کوانتومی و ابزار کوانتومی درک میکنیم.
ابزار کوانتومی به هر محاسبه کوانتومی اطلاق میشود که راهحلهای قابل اعتماد و دقیقی برای مشکلاتی ارائه میدهد که خارج از دسترس شبیهسازهای ماشین کوانتومی محاسباتی کلاسیک هستند. پیش از این، این مسائل فقط برای روشهای تقریب کلاسیک قابل دسترسی بودند – معمولاً روشهای تقریبی خاص مسئله که به دقت برای بهرهبرداری از ساختارهای منحصربهفرد یک مسئله معین ساخته میشدند.
در تعریف کلی، اصطلاح مزیت کوانتومی به یک کامپیوتر کوانتومی فرضی اشاره دارد که قادر به عملکرد بهتر از تمام روشهای ابررایانه کلاسیک برای برخی مشکلات، حتی روشهای تقریبی است. یک کامپیوتر کوانتومی که به مزیت کوانتومی دست یابد، باید بتواند مزایای قابل توجه و عملی فراتر از همه روشهای محاسباتی کلاسیک شناختهشده ارائه دهد – محاسبه راهحلها به روشی که ارزانتر، سریعتر یا دقیقتر از هر جایگزین کلاسیک موجود باشد.
از آنجایی که محاسبات کوانتومی اکنون جایگزین مناسبی برای تقریب کلاسیک برای مسائل خاص ارائه میدهد، محققان میگویند که ابزار مفیدی برای اکتشاف علمی است یا اینکه کاربردی دارد. کاربرد کوانتومی این ادعا را نمیکند که روشهای کوانتومی به سرعت ثابتی نسبت به همه روشهای کلاسیک شناخته شده دست یافتهاند. این یک تفاوت اساسی با مفهوم مزیت کوانتومی است.
در سال 2019، محققان برجسته تیم کوانتوم IBM معیاری به نام حجم کوانتومی اختراع کردند تا یک اندازهگیری منحصر به فرد و قابل محاسبه از توانایی یک کامپیوتر کوانتومی را تعیین کنند.
حجم کوانتومی بزرگترین مدار کوانتومی را اندازهگیری میکند که میتواند آزمایش حجم کوانتومی را پشت سر بگذارد. تست حجم کوانتومی از کامپیوتر کوانتومی میخواهد که مدار را با گیتهای تصادفی اجرا کند و اندازهگیری میکند که مدارها هر چند وقت یکبار نتایج مورد انتظار را خروجی میدهند. با این حال، همانطور که ما به افزایش مقیاس پردازندههای کوانتومی ادامه میدهیم، مشخص میشود که برای محصور کردن کامل عملکرد رایانههای کوانتومی در مقیاس کاربردی، به چیزی بیش از حجم کوانتومی نیاز داریم.
در حالی که حجم کوانتومی هنوز یکی از معدود روشهایی است که از طریق آن میتوانیم خطاها را در یک سیستم کوانتومی اندازهگیری کنیم، تیم IBM دو معیار دیگر برای معیار بهتر رایانههای کوانتومی معرفی کرد: وفاداری لایه و عملیات لایه مدار در ثانیه (CLOPS).
وفاداری لایه یک معیار بسیار ارزشمند است. این معیار توانایی کل پردازنده کوانتومی برای اجرای مدارها را محصور میکند و در عین حال اطلاعاتی درباره کیوبیتها، گیتها و تداخل را آشکار میسازد. با اجرای پروتکل وفاداری لایه، محققان میتوانند دستگاه کوانتومی را ارزیابی کنند، در حالی که به عملکرد دقیق و اطلاعات خطا در مورد اجزای جداگانه نیز دسترسی دارند.
علاوه بر وفاداری لایه، IBM همچنین متریکی به نام عملیات لایه مدار در ثانیه (CLOPS) را تعریف کرده است. CLOPS معیاری برای سرعت پردازندهها است که نشان میدهد پردازندهها با چه سرعتی میتوانند مدارهای حجم کوانتومی را به صورت سری اجرا کنند. این معیار به عنوان معیاری از سرعت سیستم جامع شامل محاسبات کوانتومی و کلاسیک عمل میکند.
وفاداری لایه و CLOPS با هم راه جدیدی را برای محک زدن سیستمها ارائه میکنند که برای افرادی که سعی در بهبود و استفاده از سختافزار دارند، معنادارتر است. این معیارها مقایسه سیستمها با یکدیگر، مقایسه سیستمهای IBM با معماریهای دیگر و انعکاس دستاوردهای عملکرد در مقیاسها را آسانتر میکنند.
امروزه، شرکتهایی مانند IBM سختافزار کوانتومی واقعی میسازند؛ ابزاری که دانشمندان تنها سه دهه پیش تصورش را آغاز کردند و اکنون در دسترس صدها هزار توسعهدهنده قرار دارد. مهندسان، همراه با پیشرفتهای مهم در نرمافزار و ارکستراسیون کوانتومی کلاسیک، پردازندههای کوانتومی ابررسانا و قدرتمندتری را بهطور منظم ارائه میدهند. این تلاشها سرعت محاسبات کوانتومی و ظرفیت لازم برای تغییر جهان را افزایش میدهند.
اکنون که این میدان به کاربرد کوانتومی دست یافته است، محققان سخت در تلاش هستند تا رایانههای کوانتومی را حتی مفیدتر کنند. محققان IBM Quantum و دیگران برخی از چالشهای کلیدی را برای بهبود کاربرد کوانتومی و دستیابی به مزیت کوانتومی شناسایی کردهاند:
در حالی که پردازندههای کیوبیتی که در محاسبات کوانتومی استفاده میشوند، پتانسیل بهتری نسبت به پردازندههای مبتنی بر بیت دارند، پردازندههای کوانتومی فعلی تنها میتوانند تعداد کمی از کیوبیتها را پشتیبانی کنند. با پیشرفت تحقیقات، IBM قصد دارد تا سال 2029 یک سیستم کوانتومی با 200 کیوبیت منطقی معرفی کند که قادر به اجرای 100 میلیون گیت کوانتومی باشد. این هدف تا سال 2033 به دو هزار کیوبیت منطقی با قابلیت اجرای 1 میلیارد گیت افزایش خواهد یافت.
اگرچه کیوبیتها قدرتمند هستند، اما مستعد خطا بوده و به سیستمهای خنککننده بزرگی نیاز دارند که دماهای پایینتر از فضای بیرونی را ایجاد کنند. محققان در حال توسعه روشهایی برای مقیاسسازی کیوبیتها، الکترونیک، زیرساختها و نرمافزار برای کاهش ردپا، هزینه و مصرف انرژی هستند.
ناهمدوسی (Decoherence) که فرآیندی است که کیوبیتها به درستی عمل نمیکنند و نتایج نادرست تولید میکنند، یک مانع بزرگ برای هر سیستم کوانتومی است. تصحیح خطای کوانتومی مستلزم رمزگذاری اطلاعات کوانتومی در کیوبیتهای بیشتری نسبت به آنچه نیاز داریم، است. در سال 2024، IBM کدی برای تصحیح خطا معرفی کرد که تقریباً 10 برابر کارآمدتر از روشهای قبلی بود. این کد جدید مسیر روشنی به سوی مدارهای کوانتومی با یک میلیارد گیت منطقی یا بیشتر باز میکند.
مزیت کوانتومی به دو جزء نیاز دارد: مدارهای کوانتومی قابلدوام و ابزاری برای نشان دادن اینکه این مدارهای کوانتومی بهترین راه برای حل یک مسئله هستند. کشف الگوریتم کوانتومی فناوریهای کوانتومی فعلی را از ابزارهای کوانتومی به مزیت کوانتومی تبدیل میکند.
کشف الگوریتم کوانتومی به یک پشته نرمافزاری کارآمد و پایدار برای نوشتن، بهینهسازی و اجرای برنامههای کوانتومی متکی است. Qiskit IBM، که منبع باز و مبتنی بر پایتون است، پرکاربردترین SDK کوانتومی در جهان است. این SDK برای اجرا در ناوگان رایانههای کوانتومی ابررسانای IBM و سیستمهایی که از فناوریهای جایگزین استفاده میکنند، طراحی شده است.
برای آینده قابل پیشبینی، محاسبات کوانتومی همگام با ابر محاسبات کلاسیک کار خواهد کرد تا مفید باشد. محققان کوانتومی در حال آماده شدن برای جهانی هستند که در آن ابررایانههای کلاسیک از مدارهای کوانتومی برای کمک به حل مسائل استفاده کنند.
یک پردازنده کوانتومی IBM یک ویفر است که خیلی بزرگتر از تراشههای سیلیکونی موجود در لپتاپ نیست. با این حال، سیستمهای سختافزار کوانتومی مدرن، که برای نگهداشتن ابزارها در دمای فوقالعاده سرد استفاده میشوند، و قطعات الکترونیکی اضافی در دمای اتاق برای کنترل سیستم و پردازش دادههای کوانتومی، تقریباً به اندازه یک خودروی متوسط هستند.
در حالی که ردپای بزرگ یک سیستم سختافزاری کوانتومی کامل، اکثر رایانههای کوانتومی را چیزی جز قابلحمل نمیسازد، محققان و دانشمندان رایانه همچنان میتوانند از طریق محاسبات ابری به قابلیتهای محاسبات کوانتومی خارج از سایت دسترسی داشته باشند. اجزای اصلی سختافزار یک کامپیوتر کوانتومی به شرح زیر است:
تراشههای کوانتومی – که به عنوان صفحه دادههای کوانتومی نیز شناخته میشوند – از کیوبیتهایی تشکیل شدهاند که در پیکربندیهای مختلف برای برقراری ارتباط تنظیم شدهاند.
پردازنده کوانتومی به عنوان جزء اصلی در یک کامپیوتر کوانتومی، حاوی کیوبیتهای فیزیکی سیستم و ساختارهای مورد نیاز برای نگهداشتن آنها در جای خود است. واحدهای پردازش کوانتومی (QPU) شامل تراشه کوانتومی، الکترونیک کنترل و سختافزار محاسباتی کلاسیک مورد نیاز برای ورودی و خروجی است.
رایانه رومیزی شما احتمالاً از یک فن برای خنک شدن کافی برای کار استفاده میکند. پردازندههای کوانتومی باید بسیار سرد باشند – حدود یک صدم درجه بالاتر از صفر مطلق – تا نویز را به حداقل برسانند و از ناهماهنگی جلوگیری کنند. این دمای بسیار پایین با ابر سیالات فوق خنک به دست میآید. در این دماها، مواد خاصی یک اثر مکانیکی کوانتومی مهم از خود نشان میدهند: الکترونها بدون مقاومت در آنها حرکت میکنند. این اثر آنها را به ابررسانا تبدیل میکند.
هنگامی که مواد تبدیل به ابررسانا میشوند، الکترونهای آنها با هم مطابقت مییابند و جفتهای کوپر را تشکیل میدهند. این جفتها میتوانند بار را از طریق موانع یا عایقها از طریق فرآیندی به نام تونلزنی کوانتومی حمل کنند. دو ابررسانا که در دو طرف یک عایق قرار گرفتهاند، یک اتصال جوزفسون را تشکیل میدهند که یک قطعه مهم از سختافزار محاسباتی کوانتومی است.
کامپیوترهای کوانتومی از مدارهایی با خازن و اتصالات جوزفسون به عنوان کیوبیتهای ابررسانا استفاده میکنند. با شلیک فوتونهای مایکروویو به این کیوبیتها، میتوانیم رفتار آنها را کنترل کنیم و آنها را وادار کنیم تا واحدهای جداگانه اطلاعات کوانتومی را نگهدارند، تغییر دهند و بخوانند.
تحقیقات برای بهبود اجزای سختافزاری کوانتومی ادامه دارد، اما این تنها نیمی از معادله است. هسته اصلی کشف مزیت کوانتومی توسط کاربران، یک پشته نرمافزار کوانتومی بسیار کارآمد و پایدار خواهد بود که نسل بعدی الگوریتمهای کوانتومی را فعال کند.
در سال 2024، IBM اولین نسخه پایدار Qiskit SDK 1.x، ابزار توسعه نرمافزار منبع باز Qiskit، را معرفی کرد. با بیش از 600,000 کاربر ثبتنام شده و 700 دانشگاه جهانی که از آن برای توسعه کلاسهای محاسبات کوانتومی استفاده میکنند، Qiskit به پشته نرمافزاری ترجیحی برای محاسبات کوانتومی تبدیل شده است.
اما Qiskit چیزی بیش از محبوبترین نرمافزار توسعه کوانتومی در جهان برای ساخت و ساخت مدارهای کوانتومی است. IBM در حال تعریف مجدد Qiskit است تا نرمافزار تمام پشته کوانتومی را ارائه کند. Qiskit SDK با نرمافزار و خدمات میانافزار برای نوشتن، بهینهسازی و اجرای برنامهها بر روی سیستمهای کوانتومی IBM توسعه مییابد، از جمله ابزارهای کمکی کد هوش مصنوعی مولد جدید.
IBM. “محاسبات کوانتومی.”
Microsoft Quantum. “محاسبات کوانتومی 101.”
Rigetti Computing. “مروری بر محاسبات کوانتومی.”
Quanta Magazine. “آینده محاسبات کوانتومی.”
کامپیوترهای کوانتومی: انقلابی در دنیای رایانش
