حقایقی که باید در مورد برتری کوانتومی بدانید

حقایقی که باید در مورد برتری کوانتومی بدانید

چند هفته‌ای است که خبر مهمی درباره‌ی برتری کوانتومی که گوگل به آن دست یافته، در صدر اخبار دنیای کوانتوم قرار گرفته است. به همین مناسبت، در مقاله‌ی زیر به بررسی برتری کوانتومی خواهیم پرداخت.

کامپیوترهای کوانتومی هرگز کاملا جایگزین دستگاه‌های کلاسیکی مانند دستگاهی که به وسیله‌ی آن، این مقاله را می خوانید، نخواهند شد. آن‌ها مرورگرهای وب را اجرا نمی‌کنند یا در پرداخت مالیات شما کمک نمی‌نمایند. آنچه کامپیوترهای کوانتومی انجام خواهند داد، ارائه روشی متفاوت برای انجام محاسبات خاص خواهد بود. آن‌ها قادر به حل مسائلی خواهند بود که سریع‌ترین کامپیوتر کلاسیک، میلیاردها سال زمان برای اجرای آن نیاز دارد. آ‌‌ن‌ها امکان شبیه‌سازی سیستم‌های کوانتومی پیچیده، همچون مولکول های زیستی را فراهم ساخته یا راهی برای فاکتورگیری ارقام بسیار بزرگ را ارائه خواهند داد.

کامپیوترهای کوانتومی، در انجام  پروژه‌های تحقیقاتی جذابی که هیچ کامیپیوتر کلاسیکی قادر به انجام آن نیست، از آستانه‌ای  عبور می‌کنند که «برتری کوانتومی» نامیده می‌شود. پروژه‌ی محاسبات کوانتومی گوگل، همانطور که بسیاری از افراد انتظار داشتند، به بار نشست و به برتری کوانتومی دست یافت.

برتری کوانتومی چیست و چرا اهمیت دارد؟

یک کامپیوتر کوانتومی برای دستیابی به برتری کوانتومی، باید محاسباتی را انجام دهد که  یک کامپیوتر کلاسیکی قادر به انجام آن نباشد. وظیفه‌ای که برای آزمایش برتری کوانتومی استفاده می‌شود، تصنعی است، در واقع بیشتر یک ترفند ساده است تا یک پیشرفت مفید. به همین دلیل، تمام تلاش‌های جدی برای ساخت یک کامپیوتر کوانتومی، برتری کوانتومی را به طور خاص، هدف قرار نمی‌دهند. رابرت سوتر (Robert Sutor)، یکی از مدیران محاسبات کوانتومی IBM می‌گوید:

ما اصلا از اصطلاح برتری کوانتومی استفاده نمی‌کنیم و به آن اهمیت نمی‌دهیم.

اما از طرفی، برتری کوانتومی می‌تواند گشایش بزرگی در تاریخ محاسبات باشد. در ابتدایی‌ترین سطح، این امر می‌تواند منجر به کامپیوترهای کوانتومی شود که در واقع برای حل مسائل عملی خاصی، مفید هستند. توجیهی تاریخی برای این عقیده وجود دارد. در دهه 1990، اولین الگوریتم‌های کوانتومی، مسائلی را حل کردند که هیچ کسی واقعا به آن‌ها اهمیت نمی‌داد، اما دانشمندان علوم کامپیوتر که آ‌ن‌ها را طراحی کرده بودند، چیزهایی یاد گرفتند که می‌توانست برای توسعه الگوریتم‌های بعدی اعمال شود (مانند الگوریتم شور برای فاکتورگیری اعداد بزرگ).

دنیای محاسبات کوانتومی امیدوار است که اکنون این روند، تکرار شود. محققان با ساختن یک کامپیوتر کوانتومی که می‌تواند حتی در حل یک مسئله بی فایده، از کامپیوترهای کلاسیکی پیشی بگیرد، چیزهایی یاد می‌گیرند که در آینده به آن‌ها امکان ساخت یک کامپیوتر کوانتومی بسیار مفیدتر را می‌دهد. فرناندو برانداو (Fernando Brandão)، فیزیكدان نظری موسسه فناوری كالیفرنیا و پژوهشگر گوگل می‌گوید:

 قبل از برتری، احتمال این كه یك کامپیوتر كوانتومی بتواند كار جالبی را انجام دهد، به سادگی صفر بود. برتری، یک نقطه عطف ضروری بود.

علاوه بر این، برتری کوانتومی می‌تواند جهشی در حوزه‌ی علوم کامپیوتر نظری باشد. چند دهه بود که این حوزه تحت فرضیه‌ای به نام تز چرچ-تورینگ تعمیم‌یافته (extended Church-Turing thesis) کار می‌کرد؛ فرضیه‌ای که می‌گوید یک کامپیوتر کلاسیکی می‌تواند هر محاسبه‌ای را که هر نوع کامپیوتر دیگری از عهده‌ی آن بر می‌آید، به طور کارآمدی انجام دهد. برتری کوانتومی اولین نقض تجربی این اصل است و بنابراین علم کامپیوتر را به دنیای کاملا جدیدی سوق خواهد داد. آدام بولاند (Adam Bouland)، دانشمند اطلاعات کوانتومی در دانشگاه برکلی کالیفرنیا می‌گوید:

برتری کوانتومی، یک پیشرفت اساسی در روش محاسبات به نظر می‌رسد.

برتری کوانتومی چگونه ثابت می‌شود؟

از طریق حل یک مسئله به کمک یک کامپیوتر کوانتومی، به گونه‌ای که یک کامپیوتر کلاسیکی قادر به حل کارآمد آن نیست. این مسئله می‌تواند هر آنچه شما می‌خواهید باشد، اگرچه به طور کلی، همانطور که انتظار می‌رفت اولین اثبات برتری کوانتومی که توسط گوگل انجام شد، مسئله‌ی نمونه گیری تصادفی بود.

یک مثال ساده از یک مسئله‌ی نمونه گیری تصادفی، برنامه‌ای است که پرتاب یک تاس را شبیه سازی می‌کند. چنین برنامه‌ای وقتی به درستی اجرا می‌شود که از نتایج ممکن، نمونه‌گیری درستی کند، یعنی هر یک از شش عدد روی تاس را در یک‌ششم دفعاتی که برنامه را اجرا می‌کنید، تولید کند.

در مسئله‌ی برتری کوانتومی به جای یک تاس، از یک کامپیوتر خواسته می‌شود تا از خروجی‌های ممکن یک مدار کوانتومی تصادفی، به درستی نمونه بگیرد، که در واقع اَعمالی متوالی هستند که می‌توانند بر روی مجموعه‌ای از بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت‌ها (qubits) انجام شوند. بیایید یک مدار را در نظر بگیریم که روی 50 کیوبیت عمل می‌کند. وقتی کیوبیت‌ها از این مدار عبور می‌کنند، حالت‌های آن‌ها در آنچه که به اصطلاح کوانتومی، برهم نهی نامیده می‌شود، درهم تنیده‌ می‌شود. در نتیجه، در پایان مدار، 50 کیوبیت در یک برهم نهی از ۲ به توان ۵۰ حالت ممکن قرار دارند. اگر کیوبیت‌ها را اندازه گیری کنید، دریایی از ۲ به توان ۵۰ حالت ممکن به یک رشته 50 بیتی کاهش می‌یابد. این امر، مانند پرتاب تاس است، جز اینکه به جای شش احتمال، شما ۲ به توان ۵۰ احتمال دارید و همه‌ی آن‌ها به یک میزان ممکن نیست، رخ دهند.

کامپیوترهای کوانتومی که می‌توانند از ویژگی‌های کاملا کوانتومی، مانند بر هم نهی‌ها و درهم تنیدگی‌ها  استفاده کنند، باید بتوانند به طور کارآمد یک سری نمونه از این مدار تصادفی تولید کنند که از یک توزیع صحیح پیروی کند. به دلیل اینکه کامپیوترهای کلاسیکی، الگوریتم سریع شناخته شده‌ای برای تولید این نمونه‌ها ندارند، با افزایش محدوده‌ی نمونه‌های ممکن، به سرعت از انجام این کار باز می‌مانند.

برخی از نقاط عطف در علم، بسیار روشن و واضح‌اند، اما برتری کوانتومی اینگونه نیست. اسکات آرانسان (Scott Aaronson)، دانشمند علوم کامپیوتر دانشگاه تگزاس می‌گوید:

این مسئله، مانند پرتاب موشک یا انفجار هسته‌ای نیست که فقط تماشا می‌کنید و بلافاصله می‌دانید که آیا موفق شده‌اید یا نه.

برای تایید برتری کوانتومی، باید دو چیز را نشان دهید: اول اینکه یک کامپیوتر کوانتومی، محاسبه‌ای را به سرعت انجام داده و دوم اینکه یک کامپیوتر کلاسیکی قادر به انجام همان محاسبه به طور کارآمد نبوده است.

مورد دوم، سخت‌ترین قسمت ماجراست: به نظر می‌رسد کامپیوترهای کلاسیکی اغلب در مقایسه با انتظار دانشمندان علوم کامپیوتر، در حل انواع خاصی از مشکلات بهتر عمل می‌کنند. بنابراین تا زمانی که ثابت نکردیده‌اید یک کامپیوتر‌ کلاسیکی نمی‌تواند کاری را به طور کارآمد انجام دهد، همیشه این احتمال وجود دارد که یک الگوریتم کلاسیکی بهتر و کارآمدتر وجود داشته باشد.

گوگل از رقبا پیش افتاد

گوگل به عنوان اولین دونده‌ای بود که توانست خود را به خط پایان برساند.  این در حالی است که گروه‌های دیگری از جمله IBM ، IonQ ، ریجتی و دانشگاه هاروارد نیز برای دستیابی به برتری کوانتومی تلاش می‌کنند. این گروه‌ها از چند روش متفاوت برای ساخت یک کامیپوتر کوانتومی استفاده می کنند. گوگل، IBM و Rigetti با استفاده از مدارهای ابررسانا محاسبات کوانتومی را انجام می‌دهند. IonQ از یون‌های به دام افتاده استفاده می‌کند. هاروارد به رهبری میخائیل لوکین (Mikhail Lukin) مبتکر استفاده از اتم‌های روبیدیوم است. به نظر می‌رسد رویکرد استفاده از کیوبیت‌های توپولوژیکی توسط مایکروسافت، کار گسترده‌ای است. هر رویکرد دارای نقاط ضعف و قوتی است.

مزیت مدارهای کوانتومی ابررسانا ساخته شدن با یک ماده جامد است. آن‌ها می‌توانند با تکنیک‌های موجود ساخته شوند و اعمال گیت منطقی را  بسیار سریع انجام می‌دهند. علاوه بر این، در این رویکرد، کیوبیت‌ها حرکت نمی‌کنند (زیرا حرکت کیوبیت‌ها مشکل‌ساز است و برای رویکردهای دیگر، نوعی ضعف محسوب می‌شود)، با این حال باید آن‌ها را تا دمای بسیار پایین سرد کرد. همچنین هر کیوبیت موجود در یک تراشه ابررسانا باید به صورت جداگانه واسنجی شود که این باعث می‌شود مقیاس بندی این فناوری تا حد هزاران کیوبیت (یا بیشتر) که در واقع مورد نیاز کامپیوتر کوانتومی خواهد بود، مشکل باشد.

برتری کوانتومی ثابت شده. حالا چه؟

پس از اثبات برتری کوانتومی در مورد یک مسئله‌ی خاص، این سوال بعدی است: خوب، پس چه زمانی، کار مفیدی انجام خواهد داد؟ سودمند بودن گاهی با عنوان مزیت کوانتومی (Quantum advantage) خوانده می‌شود. سوتر از شرکت IBM، که دارای مشتریانی از شرکت‌های بزرگ مانند JPMorgan Chase و Mercedes-Benz است، می‌گوید: 

مزیت کوانتومی، این ایده است که بگوییم برای یک مورد کاربرد واقعی (مانند خدمات مالی، هوش مصنوعی و شیمی)، یک کامپیوتر کوانتومی چه زمانی و چگونه به طور قابل ملاحظه‌ای بهتر از هرگونه کامپیوتر کلاسیکی‌ شناخته‌‌شده‌ای کار خواهد کرد؟

نقطه عطف دوم ایجاد تاب‌ آوری خطا (fault-tolerant) در کامپیوتر کوانتومی است. این کامپیوترها قادر خواهند بود خطاها را در یک محاسبه در زمان واقعی اصلاح کنند که این امر، محاسبات کوانتومی بدون خطا را امکان‌پذیر می‌سازد. اما ایجاد تاب آوری خطا در کامپیوترهای کوانتومی، نیاز به بیش از هزاران تصحیح خطای کیوبیت‌ برای هر کیوبیت منطقی که کامپیوتر از آن برای انجام محاسبات استفاده می‌کند، دارد. این موضوع،  تاب آوری خطا را فراسوی پیشرفته‌ترین رویکردهای فعلی محاسبات کوانتومی قرار می‌دهد. این یک سوال باز است که آیا کامپیوترهای کوانتومی قبل از اینکه واقعا بتوانند کار مفیدی انجام دهند، نیاز به تاب آوری خطا دارند یا نه.


منبع: quantamagazine

كلمات كليدي :
برتری کوانتومی , کامپیوتر کوانتومی

نظر شما
نام  
پست الكترونيک
وب سایت
متنی که در تصویر می بینید عینا تایپ نمایید
نظر