در آینده از چه کامپیوترهایی استفاده خواهیم کرد؟

با این‌حال، در 30 سال آینده پیشرفت‌های حوزه کامپیوتر به اندازه سال‌های قبل قطعی و دقیق نخواهد بود. ما به تدریج در حال نزدیک شدن به اتمام قانون مور هستیم و زمانی که نوبت به ساخت سیستم‌های کلاسیک قدرتمندتر برسد، ممکن است برای دستیابی به برخی فاکتورها، بازدهی را قربانی کنیم. به بیان دقیق‌تر، در حال حاضر شرکت‌های فعال در حوزه ساخت تراشه‌ها سعی دارند از قانون مور عبور کنند و سیستم‌های کلاسیک قدرتمندی را پیاده‌سازی کنند. در سوی دیگر، ما در حال ورود به دنیای پارادایم‌های جدید رایانشی هستیم. کاملا مشخص است که در مقطعی از شکل سنتی رایانش ابری گذر خواهیم کرد، اما این که این پیشرفت‌ها در 30 سال یا 50 سال یا یک قرن دیگر به دست خواهند آمد، موضوع دیگری است که پرداختن به آن به مقاله جداگانه‌ای نیاز دارد.

بنابراین، در این مقاله اجازه دهید، دنیایی را تصور کنیم که در آن چهار سیستم کامپیوتری اولیه آینده (کلاسیک، فوتونیک، هیبریدی و کوانتومی) همه به شکل گسترده در دسترس قرار خواهند داشت. اگر کمی خوشبین باشیم باید بگوییم این احتمال وجود دارد که شاهد ورود این سامانه‌های پردازشی تا سال 2051 میلادی باشیم. با این مقدمه، به سراغ تعریف کوتاهی از این سامانه‌های پردازشی قدرتمند خواهیم رفت.

مطلب پیشنهادی

تحولی بزرگ در محاسبات

رایانش کوانتومی چیست و چه زمانی شاهد اولین کامپیوتر کوانتومی به‌معنای واقعی خواهیم بود؟

کامپیوترهای کلاسیک

افرادی که تصور می‌کنند، زمان خداحافظی با سیستم‌های باینری فرارسیده و اکنون وقت آن رسیده که تمام تمرکز را روی فناوری کوانتومی قرار دهیم، باید بدانند که حداقل تا 30 سال دیگر، کامپیوترهای کلاسیک در کنار ما قرار خواهند داشت.

مقایسه‌ میان سیستم‌های باینری با کامپیوترهای کوانتومی مثل مقایسه‌ قلم و کاغذ با برخورددهنده‌‌های هادرونی است. یک فرد عادی در طول زندگی خود نیازی به دسترسی مستقیم به کامپیوتر کوانتومی یا برخورددهنده‌ هادرونی ندارد، اما همه‌ ما از وجود آن‌ها سود می‌بریم.

به گوشی هوشمند خود فکر کنید. در 30 سال آینده هم دستگاهی مشابه آن وجود خواهد داشت. ممکن است در آن زمان گوشی‌های هوشمند در قالب گجت‌های شیشه‌ای یا کاشتنی‌های مغزی وجود داشته‌ باشند، اما مفهوم و کارکرد همان است. ما باز هم به پردازش‌های آن‌برد برای اجرای الگوریتم‌های مشخص و برنامه‌های کاربردی نیاز داریم، چیزی که در حال حاضر گوشی‌های هوشمند هم از آن بهره می‌گیرند.

شبیه به گوشی‌‌های هوشمند امروزی، مدل‌های آینده باید به ‌اندازه‌ای قدرتمند باشند که بتوانند به سرویس‌های ابری متصل شوند. رایانه‌های دودویی آینده بیشتر وظایف رایانه‌های دودویی امروزی را انجام خواهند داد. اما برای وظایفی که به قدرت بیشتری (از آنچه ما از رایانه‌های آینده انتظار داریم) نیاز داشته باشند، کامپیوترهای کلاسیک می‌توانند به ‌عنوان یک رابط برای سیستم‌های قدرتمندتر ایفای نقش کنند.

همان‌گونه که بیان شد، در مورد آیفون تا 30 سال دیگر چیزی مشابه آن را خواهید داشت. شاید یک عینک هوشمند یا کاشتنی عصبی در اختیارتان قرار داشته باشد. در هر صورت، گجتی که از آن استفاده خواهید کرد، برای اجرای الگوریتم‌ها و برنامه‌های مجزا به قدرت پردازش داخلی کافی نیاز دارد، درست مشابه با آن چیزی که امروزه یک گوشی آی‌فون انجام می‌دهد.

کامپیوترهای فوتونی

این مدل کامپیوترها، سامانه‌های جذابی خواهند بود که البته هنوز وجود ندارند، اما ایده‌ بزرگ پشت آن‌ها این است که به ‌جای جریان الکتریسیته از فوتون‌ها برای پردازش اطلاعات استفاده شود. الکترون‌ها می‌توانند با سرعت بالایی حرکت کنند. به بیان دقیق‌تر، سرعتی در محدوده سرعت نور داشته باشند. بنابراین، محاسبات بدون آن‌که متوجه شوید، انجام می‌شوند.

این ایده به لحاظ تئوری به این نکته اشاره دارد که ما می‌توانیم سامانه‌های کامپیوتری ایجاد کنیم که قادر باشند اطلاعات را با سرعت نور انتقال داده، پردازش کرده و مدیریت کند. پژوهشگران شرکت IBM و انستیتوی علم و تکنولوژی اسکولکوو (Skolkovo) به‌ تازگی نوعی سوئیچ فوتونی را توسعه داده‌اند که دستگاهی است که قابلیت استفاده به ‌جای ترانزیستورهای سیلیکونی را دارد.

کامپیوترهای فوتونی این توانایی را دارند تا هزاران مرتبه از قدرتمندترین ابر کامپیوترهای دودویی امروزی محاسبات را سریع‌تر انجام دهند. این سامانه‌ها به دلیل نحوه‌ عملکردشان، انرژی کمتری را مصرف می‌کنند. تخمین شده شده است که فناوری مذکور تا 30 سال آینده به نقطه کمال خود خواهد رسید. بزرگ‌ترین مزیت که سامانه فوق در اختیار ما قرار می‌دهد، ظهور سطح پنجم وسایل نقلیه‌ خودران است. به بیان دیگر، سطح 5 وسایل خودران به این معنا است که آن‌ها بالاترین سطح از مستقل بودن و خودمختاری را بدون نیاز به نظارت انسان خواهند داشت.

علاوه بر این، به ‌لطف کامپیوترهای فوتونی می‌توان یک ابر کامپیوتر غول پیکر را در ابعاد یک خودروی کوچک طراحی کرد. البته در این مورد، ابر کامپیوتر غول پیکر جای خود را به ریز کامپیوتر فوتونی می‌دهد که با یک صدم انرژی می‌تواند توان محاسباتی ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ برابر سامانه‌های کلاسیک ارائه کند.

الکساندرا مویلت، دانشجوی دکتری رایانش کوانتومی در دانشگاه بریستول انگلستان، اعتقاد دارد: «فوتون‌ها منتظر یکدیگر نمی‌مانند؛ بنابراین، باید هم‌زمان هر فوتون را بسازید». درصورتی‌که فوتون‌ها حتی یک‌تریلینیوم ثانیه با یکدیگر فاصله داشته باشند، از دست می‌روند. هر فوتون داخل سیستم می‌تواند احتمال ناسازگاری فوتون‌های دیگر را افزایش دهد، زیرا خطا به ایجاد خطاهای بیشتر منجر می‌شود. هرچه تعداد فوتون‌های گمشده بیشتر باشد، شبیه‌سازی توزیع فوتونی برای کامپیوتر کلاسیک آسان‌تر خواهد بود.

کامپیوترهای هیبریدی

با توجه به این‌که ظهور کامپیوترهای ترکیبی یکی از چشم‌اندازهای مهم دنیای فناوری اطلاعات است، اجازه دهید در این بخش کمی درباره سیستم‌های کوانتومی-کلاسیک هیبریدی صحبت کنیم. امکان برقراری تعامل میان کامپیوترهای فوتونی با سیستم‌های کوانتومی وجود دارد، اما توضیح نحوه انجام این کار خود به مقاله مفصلی نیاز دارد. پیش از این اشاره کردیم که سیستم‌های کوانتومی در مواردی به سیستم‌های کلاسیک نیاز دارند تا به‌ عنوان پورتال، رابط یا کنترلر آن‌ها عمل کنند. اما یک الگوی دیگر نیز وجود دارد که در آن سیستم بین رایانش‌های کلاسیک و کوانتومی جابجا می‌شود یا نتایج هر دو را ادغام می‌کند تا بتواند یک الگوریتم خاص را اجرا کند.

نکته‌ قابل تامل این است که این سیستم‌ها می‌توانند اولین کامپیوترهای کوانتومی قابل خرید در خرده‌فروشی‌ها باشند. فراموش نکنید که ما دست کم تا 30 سال آینده رایانش کوانتومی را به سطحی برسانیم که بتوانیم در زیرزمین خانه یک ماشین زمان بسازیم و در زمان سفر کنیم.

به بیان دقیق‌تر، سیستم‌های کوانتومی به ‌عنوان راه‌کارهایی برای مشکلات خاص در نظر گرفته می‌شوند و توسعه پیدا خواهند کرد. به همین دلیل بیشتر ما چنین کامپیوترهایی را نخواهیم داشت. شما نمی‌توانید با نصب یک واسط برنامه‌نویسی کاربردی روی سیستم‌ IBM Q و انتخاب فعال‌سازی حالت کوانتوم با سرعت بیشتری به ویرایش و تدوین ویدیو بپردازید.

اما به لحاظ نظر تئوری می‌توان سیستمی را ساخت که با کمک چندوظیفگی کلاسیک (برای مدیریت زیرساخت) و الگوریتم‌های کوانتومی (برای محاسبات ریاضیاتی که برای پردازنده‌های سنتی بسیار پیچیده هستند) بتواند نرم افزار برنامه‌ریزی پروازهای فرودگاه را اجرا کند.

سیستم‌های مشابهی را تصور کنید که در حال حاضر در سطح ابتدایی وجود دارند. تا ۳۰ سال آینده کسب ‌و ‌کارهای بزرگ که نقدینگی در بازه چند میلیارد دلار دارند، اقدام به خرید و نصب نسل پیشرفته‌ این سیستم‌های کوانتوم-هیبریدی به ‌عنوان زیرساخت‌های فناوری اطلاعات خود خواهند کرد.

کامپیوترهای کوانتومی

بخش جالب این مقاله، کامپیوترهای کوانتومی هستند. کامپیوترهای کوانتومی چیزی در حدود 30 سال با ما فاصله دارند و با توجه به این که کاربر کیست و هدف استفاده‌اش از کامپیوتر چیست، ممکن است هیچ‌گاه به کامپیوترهای کوانتومی نیاز نداشته باشد.

امروزه، رایانه‌های کوانتومی در مرحله آزمایشی و در آزمایشگاه‌ها ساخته می‌شوند و هزینه تولید بسیار زیادی دارند و بیشتر برای حل یک یا دو مسئله‌ ریاضی مورد استفاده قرار می‌گیرند. نمی‌توان تصور کرد پردازش‌های کوانتومی کاربردی و قابل اجرا چه‌ زمانی در دسترس قرار خواهند گرفت.

در چند سال گذشته، رقابت بر سر برتری رایانش کوانتومی به ‌شدت افزایش یافته است. کامپیوتر کوانتومی گوگل فقط در 200 ثانیه موفق شد عملیاتی اجرا کند که به گفته پژوهشگران، کامپیوتر کلاسیک برای حل آن به 10 هزار سال زمان نیاز دارد. شایان ذکر است پژوهشگران IBM هم مشغول حل مسئله‌ای هستند که کامپیوتر کلاسیک در سه روز خواهد توانست آن را حل کند. جیان وی پان و چائو یانگ لو، از دانشگاه علوم و فناوری چین، در این ارتباط می‌گویند: «ما از روش خود به ‌عنوان مسیری احتمالی به ‌سمت برتری کوانتومی یاد می‌کنند». اسکات آرونسون، دانشمند نظری کامپیوتر دانشگاه آستین تگزاس، در این‌باره می‌گوید: «مطمئن نیستم و راه دشواری به‌نظر می‌رسد؛ اما به ‌عنوان یکی از مخترعان نمونه‌برداری بوزونی خوشحالم که می‌توانم پیشرفت مسیر دیگری را نیز شاهد باشم».

اما می‌توان گفت که این سیستم‌ها 30 سال آینده تحول بزرگی در دنیای فناوری اطلاعات به وجود خواهند آورد. کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند به ما در توسعه‌ همجوشی سرد، ماشین‌های وارپ و هوش مصنوعی کمک زیادی کنند. در این‌جا هدف ما این نیست که درباره‌ ظرفیت‌های کامپیوترهای کوانتومی اغراق کنیم، اما به‌کارگیری آن در حوزه‌های شیمی، کشف داروها و پاتولوژی قابل مقایسه با سیستم‌های رایج امروزی نیست. به طوری که این سامانه‌ها جان میلیون‌ها نفر را نجات خواهند داد.

اما اگر صحبت از کارهای عجیب ‌و ‌غریب در فواصل دور یا پردازش با سرعت نور باشد، نمی‌توان با قطعیت درباره‌ آینده نظر داد. ممکن است 10 سال، 30 سال یا حتی 100 سال طول بکشد تا این فناوری‌ها به بلوغ برسند.