4. برتری کوانتومی

تهیه کننده: مفتاح (معاونت راهبری فنی)

یک کامپیوتر کوانتومی می تواند از یک کامپیوتر سنتی بهتر عمل کند درحالی‌که احتمالاً 5 ‌تا 10 سال از رسیدن به برتری کوانتومی1 فاصله‌ داریم، گوگل ادعا می‌کند با پردازنده کوانتومی Sycamore خود به این نقطه عطف رسیده است. Sycamore قادر به تشخیص مجموعه‌ای از اعداد توزیع‌شده تصادفی در سه دقیقه و 20 ثانیه بود (این شرکت تخمین زده است که برای انجام این کار یک کامپیوتر سنتی 10،000 سال زمان نیاز دارد). باوجود چشمگیر بودن این برتری، آن‌ها تأیید کردند که سالها از داشتن یک کامپیوتر کوانتومی، قادر به حل مشکلاتی که علاقه‌مند به حل آن‌ها بوده و به کمک کامپیوترهای سنتی قابل مدیریت نیستند، محروم بوده اند.

1-​4- فیزیک کوانتومی

برای آنکه درک ملموسی از فیزیک کوانتومی به دست آورید، توپی را تصور کنید که پیوسته به دیوار روبه‌روی خودتان پرتاب می‌کنید. هرچند بار که این کار را تکرار کنید، می‌بینید که توپ پس از برخورد به دیوار، برمی‌گردد. به‌بیان‌دیگر، توپ همیشه در این‌سوی دیوار باقی می‌ماند و هرگز آن‌سوی دیوار دیده نمی‌شود. این آزمایش، نمونه‌ای از پدیده‌های بزرگ‌مقیاس است که با «فیزیک کلاسیک» و «مکانیک نیوتنی» توصیف می‌شود.

حال اگر ابعاد توپ را در حد یک ذره‌ی الکترون و ابعاد دیوار مقابل را نیز در حد سد متراکمی که حفره‌ای برای گذر الکترون ندارد، کوچک کنیم، مشاهده می‌کنیم که گاهی الکترون آن‌سوی دیوار ظاهر می‌شود (گویی از میان دیوار، تونل زده) و گاهی درون دیوار به دام می‌افتد. به‌بیان‌دیگر، پرتاب الکترون به دیوار نفوذناپذیر همیشه پیامد یکسانی ندارد و الکترون با احتمال‌های مختلفی برمی‌گردد، تونل می‌زند یا به دام می‌افتد. این آزمایش، نمونه‌ای از پدیده‌های ریزمقیاس است که با «فیزیک کوانتومی» توصیف می‌شوند [1].

در حال حاضر، رایانه‌ها از بیت به عنوان حافظه ذخیره‌سازی اطلاعات استفاده می‌کنند. بیت‌ها باینری هستند؛ به این معنا که در هر لحظه فقط یکی از دو حالت روشن (1) و یا خاموش (0) را می‌پذیرند اما در محاسبات کوانتومی بجای بیت از کیوبیت –مخفف بیت کوانتومی- استفاده می‌شود. ساخت کیوبیت با استفاده از ویژگی‌های فیزیک کوانتومی انجام شده است. برای مقایسه بیت و کیوبیت، یک کُره را در نظر بگیرید، هر بیت فقط می‌تواند روی قطب شمال یا قطب جنوب کره قرار داشته باشد؛ اما کیوبیت می‌تواند روی هر نقطه‌ای از سطح کره قرار بگیرد؛ بنابراین کیوبیت می‌تواند اطلاعات به‌مراتب بیشتری را در خود ذخیره کند و ازآنجایی‌که در هر مرحله از محاسبات، اطلاعات بیشتری پردازش می‌شوند؛ سرعت پردازش‌های کوانتومی به شکل نمایی افزایش پیدا می‌کند.

هر چند که مفهوم محاسبات کوانتومی بسیار نو و تفکربرانگیز است، اما تنها پس از انتشار مشخصات نخستین پردازنده کوانتومی توسط تیم 77 نفره از گوگل و ناسا (با همکاری یکدیگر) در اکتبر 2019 بود که قدرت و برتری آن نسبت به کامپیوترهای امروزی به اثبات رسید [2].

3-​4- آزمایش برتری کوانتومی گوگل [3]
برای ساخت کامپیوترهای کوانتومی، برخی آزمایشگاه‌های تحقیقاتی از لیزر و میدان‌های الکتریکی برای به دام انداختن اتم‌ها و تغییر و کنترل آن‌ها به عنوان یک کیوبیت استفاده کرده‌اند در حالی که برخی گروه‌های دیگر نظیر آزمایشگاه «کوانتوم هوش‌مصنوعی گوگل» به رهبری جان مارینیس2 در دانشگاه سانتا باربارای کالیفرنیا3، از حلقه‌های فلز ابررسانا برای ساخت کیوبیت استفاده می‌کنند. اخیراً، گوگل و همکارانش موفق شدند با قرار دادن یک آرایه 54-کیوبیتی روی یک سطح مستطیلی مسطح، برتری کوانتومی را اثبات کنند. هر چند که یکی از کیوبیت‌ها با مشکل مواجه شد و در نهایت، کامپیوتر ساخته‌شده با 53 کیوبیت کار کرد.

دستگاه محاسبات کوانتومی گوگل که سیکامور4 نام دارد، می‌تواند با موفقیت نمونه‌های یک مدار کوانتومی تصادفی را تولید کند (معادل تولید اعداد تصادفی در کامپیوترهای معمولی). این دستگاه تعداد یک میلیون نمونه‌سازی از مدار کوانتومی تصادفی را در زمان حدود 3 دقیقه و 20 ثانیه، به انجام رسانید. شبیه‌سازی این آزمایش روی ابرکامپیوترهای فعلی، نشان داد که حتی ابررایانه «سامیت» که قدرتمندترین کامپیوتر جهان محسوب می‌شود، به حدود 10،000 سال زمان برای انجام این آزمایش نیاز دارد.

آزمایش تولید اعداد تصادفی گوگل ممکن است در نگاه اول کاربردی به نظر نرسد اما به نقل از Aaronson، مدیر مرکز اطلاعات کوانتوم دانشگاه تگزاس که در تحقیقات گوگل مشارکت نداشت، چنین مدار کوانتومی تصادفی می‌تواند به پایه و اساس یک پروتکل تصادفی تبدیل شود که برای برخی رمزارزها و پروتکل‌های رمزنگاری بسیار کاربردی خواهد بود. علاوه بر این کاربرد بسیار خاص، آزمایش‌های آینده محاسبات کوانتومی می‌تواند با هدف انجام شبیه‌سازی‌های کوانتومی از سیستم‌های پیچیده نظیر فیزیک ماده چگال5، انجام گیرد.

4-​4- برتری کوانتومی به عنوان فناوری آینده ساز [4]

علم فیزیک یکی از حوزه‌هایی است که پیش‌بینی می‌شود در حد بسیار زیادی از محاسبات کوانتومی بهره‌مند شود. به طوری که، دانشمند فیزیکدان ریچارد فینمَن در مقاله‌ای با عنوان «شبیه‌سازی فیزیک با کامپیوترها» در سال 1982 عنوان کرده است که باور دارد با مجموعه‌ای مناسب از ماشین‌های کوانتومی، می‌توان هر گونه سیستم کوانتومی از جمله دنیای فیزیکی را شبیه‌سازی کرد.

هر چند که ممکن است در نگاه اول واضح به نظر نرسد، اما علم فیزیک کاربردهای فراوانی در تحلیل‌های کسب و کار دارد. تحلیل‌گران کسب و کار، مدیران ریسک‌های مالی و مدیران پروژه، همه از طریق تجسم‌های مبتنی بر فیزیک به تصمیم‌گیری می‌پردازند که این تصمیم‌گیری‌ها در حد زیادی با عدم قطعیت همراه است. به کمک کامپیوترهای کوانتومی و فیزیک پیشرفته می‌توان دقت این‌گونه پیش‌بینی‌ها را افزایش داد. حتی افزایش جزئی دقت می‌تواند برای مدیران کسب‌وکارها بسیار جذاب باشد و آن‌ها را به صرف هزینه بیشتر ترغیب کند.

علاوه بر فیزیک، علم داده و یادگیری ماشین نیز از فناوری‌هایی هستند که پیش‌بینی می‌شود سود زیادی از قدرت پردازشی محاسبات کوانتومی کسب کنند. البته، درست مشابه اصل برتری کوانتومی که تا چندی پیش به اثبات نرسیده بود، کاربردهای بالقوه این فناوری نیز در حال حاضر تنها در حد تئوری و فرضیه است و اثبات نشده است.

پی نوشت:

---