آی‌بی‌ام به محاسبات کوانتومی واقعی نزدیک‌تر می‌شود

D-wave اولین خالق کامپیوترهای کوانتومی در جهان

بیشتر شرکت‌‌های فعال در زمینه تولید ابررایانه‌‌ها در تلاش هستند تا کامپیوتر کوانتومی خود را طراحی کنند. اما هنوز این اتفاق رخ نداده است. به غیر از کاری که غول فناوری D-wave آن‌ را انجام داده است. از زمانی‌که شرکت D-wave به‌طور علنی اعلام کرد، موفق به ساخت نوع خاصی از کامپیوترهای کوانتومی شده است که توانایی حل مشکلات را دارد و نام کامپیوتر خود را آنی‌لینگ نامید، حرف و حدیث‌های بسیاری به‌راه افتاد. بسیاری از دانشمندن این سؤال را مطرح کردند که به‌راستی یک سیستم واقعی تابع‌پذیر طراحی شده است و اگر چنین است آیا این سیستم به‌راستی توانایی انجام محاسبات کوانتومی را دارد یا خیر؟ محققانی که زمان خود را صرف بررسی و آزمایش سیستم D-wave کردند اعلام کردند به نظر می‌رسد آنی‌لینگ توانایی انجام محاسبات کوانتومی را دارد. از این ‌روی آنی‌لینگ اولین کامپیوتر کوانتومی واقعی جهان لقب گرفت. تا به امروز استدلال‌های مختلفی مطرح شده است با این مضموم که نتایج بنچ‌مارک‌های ارائه شده از سوی D-wave شفاف نبوده و این شرکت تنها اقدام به ‌شبیه‌سازی یک کامپیوتر کوانتومی کرده است. داده‌های جدید امروزی، وجود چنین کامپیوتری را زیر سؤال می‌برند. اما چرا؟ به‌دلیل این‌که شواهدی از عدم کارکرد صحیح وجود دارد. درهم‌ تنیدگی کوانتومی اشاره به وضعیتی دارد که در آن دو کیوبیت متمایز ( دو واحد اطلاعات کوانتومی) به یکدیگر پیوند می‌خورند. اگر شما ارزش یک کیوبیت گرفتار شده را صفر در نظر بگیرید، شریک این کیوبیت نیز صفر خواهد بود. اگر اولین کیوبیت 1 باشد و کیوبیت دوم نیز 1 باشد هیچ‌گونه اطلاعاتی که نشان دهد ارتباطی مابین آن‌ها وجود دارد، در اختیار نیست. اما محققان و کارشناسان سیستم D-Wave را مورد بررسی قرار دادند، همان‌گونه که در تصویر زیر مشاهده می‌کنید جفت کیوبیت‌های D-wave از یک موجودیت کامل هشت کیوبیتی استفاده می‌کنند.

مشاهده مطالب مرتبط:

پرونده ویژه قانون مور (دانلود رایگان)

پرونده ویژه رمزنگاری کوانتومی

اگر فرض کنیم حرف‌های D-wave صحت داشته باشد و کامپیوتر ساخت این شرکت یک کامپیوتر کوانتومی است، سؤال این است که چگونه می‌توانیم عملکرد آن‌را بهبود بخشیم؟ در تصویر زیر سیستم خنک‌‌کننده D-wave را مشاهده می‌کنید. یک تراشه کیوبیت در بخشی از این سیستم خنک کننده قرار گرفته است.

IBM امید‌های تازه‌ای بوجود می‌آورد
دنیای فناوری اکنون یک گام به تحقق این موضوع نزدیک‌تر شده است. محققان IBM، برای اولین بار دریافته‌اند که چگونه می‌توان خطاهای فازی و بیتی کوانتومی را به‌طور همزمان شناسایی کرده و آن‌ها را اندازه‌گیری کرد. آن‌ها همچنین موفق به طراحی یک مدار کوانتومی مربعی شکل شده‌اند که امکان طراحی آن در ابعاد بزرگ‌تر نیز امکان‌پذیر است. آرویند کریشنا، مدیر ارشد تحقیقات آی‌بی‌ام در خصوص این دستاورد گفته است: «محاسبات کوانتوم به‌طور بالقوه توانایی دگرگون کردن زندگی ما را دارد، به‌طوری که به ما این توانایی را می‌دهد تا به حل مشکلات غیرممکن یا غیرعملی امروزی که هیچ راه‌حلی برای آن‌ها وجود ندارد بپردازیم. در حالی که رایانه‌های کوانتومی به‌طور سنتی برای رمزگشایی مورد بررسی قرار می‌گیرند، یکی از بخش‌هایی که ما دریافت‌هایم کوانتوم می‌تواند در این زمینه به ما کمک کند حل مشکلات دنیای فیزیک و شیمی است که امروزه هیچ راه حلی برای آن‌ها وجود ندارد. این دستاورد ظرفیت‌های زیادی در زمینه طراحی مواد و داروها در اختیار ما قرار خواهد داد و افق‌های تازه‌ای از برنامه‌های کاربردی را به روی ما باز خواهد کرد.»

اما دقیقا چه اتفاقی در حال رخ دادن است؟ کامپیوترهای سنتی قادر هستند آن‌چه به آن‌ها می‌گویم را در غالب بیت‌ها درک ‌کنند، بیت‌هایی که ارزش 0 یا 1 دارند. بیت سمبلی است که برای نشان دادن دو وضعیت ولتاژ بالا یا ولتاژ پایین مورد استفاده قرار گیرد. این عمل مشابه روشن یا خاموش کردن یک کلید است. اما یک کیوبیت یا کوانتوم بیت به گونه دیگری عمل می‌کند، به‌طوری که یک کیوبیت به‌طور همزمان توانایی نگهداری هر دو حالت را دارد. این توانایی نگهداری همزمان به نام برهم‌نهی 0+1 نامیده می‌شود که هر دو وضعیت، در یک فاز، با یکدیگر، ارتباط برقرار می‌کنند. این توانایی حداقل در تئوری منجر به ساخت یک کامپیوتر کوانتومی می‌شود که بسیار سریع‌تر از یک کامپیوتر معمولی کار می‌کند.

اما طراحی یک کامپیوتر کوانتومی مشکلات خاص خود را دارد. به‌طور مثال تا وقتی که شما چیزی که به‌نام واهمدوسی ( واهمدوسی کوانتومی اشاره به از بین رفتن درهم تنیدگی دارد.) کوانتومی نامیده می‌شود را حذف نکنید یا توانایی محاسبه خطاهای که به سبب گرما، نقص‌ها یا تابش الکترومغناطیسی به وجود می‌آید را حل نکنید، کامپیوتر کوانتومی در اختیار نخواهد داشت. کیوبیت‌ها بسیار ظریف بوده و وضعیت آن‌ها به راحتی قابل تغییر است. این احتمال وجود دارد که یک خطای بیتی به سادگی وضعیت جاری را به حالت برعکس آن تبدیل کند ( به‌طور مثال 1 به جای 0 )، یا ممکن است یک خطای فازی در ارتباط با نشان دادن حالات انطباق بوجود آید. در نتیجه برای ساخت کامپیوترهای کوانتومی قابل اعتماد تصحیح خطای کوانتومی یک بخش ضروری به شمار می‌رود. مفاهیم و اطلاعات گذشته، به شما توانایی شناسایی یکی از این خطاها را به‌طور همزمان می‌دهد، اما راه حل آی بی ام یک بیت کوانتومی است که بر اساس یک شبکه مربعی شکل و با درجه حرارت پایین کار می‌کند، درجه حرارت پایین این امکان را پدید می‌آورد، تا کیوبیت ابررسانا را روی یک تراشه که تقریبا یک چهارم اینچ ضخامت دارد قرار داد.

فرم مربعی شکل کلید تصحیح خطای کوانتومی است، طرح‌های خطی اولیه اجازه انجام چنین کاری را نمی‌دادند. این فرم طراحی همچنین به شما اجازه می‌دهد تا مقیاس این مدار را بر اساس کیوبیت‌های اضافه شده طراحی کنید. تاکنون، محققان تنها توانایی شناسایی خطاهای بیتی یا کوانتومی را داشته‌اند، اما امکان شناسایی هر دو خطا در یک لحظه امکان‌پذیر نبود. جی گامبتا، مدیر گروه محاسبات کوانتومی در آی بی ام می‌گوید: « روش‌هایی که در گذشته برای شناسایی خطاها مورد استفاده قرار می‌گرفت، با استفاده از الگوی ترتیبی خطی انجام می‌شد. هر چند این روش توانایی کشف خطاهای بیتی را داشت اما اطلاعات ناقصی درباره وضعیت کوانتومی یک سیستم ارائه می‌کرد. اطلاعاتی که به این روش به‌دست می‌آمد برای کامپیوترهای کوانتومی کافی نبود. اما در روشی که ما آن‌را ابداع کردیم، نتایج به دست آمده از چهار کیوبیت، نه تنها توانایی شناسایی هر نوع خطای کوانتومی را دارد، بلکه برای سیستم‌های بزرگ‌تر به‌عنوان آرایه‌ای از شبکه‌های مربعی در مقایسه با آرایه خطی مقیاس‌پذیر می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد. نتیجه تحقیقات IBM در تاریخ 29 آپریل در مجله  Nature Communications به چاپ رسیده است. بعد از کشف خطاها به این روش، مرحله بعدی طراحی و ساخت تعداد انگشت شماری از ابررسانه کیوبیت است که هم قابل اعتماد بوده و هم کمترین نرخ خطا را داشته باشد. به محض این‌که این‌کار انجام شود، ما به خوبی در راه ساخت یک کامپیوتر کوانتومی تمام عیار گام برخواهیم داشت و اگر این کامپیوتر به جای آن‌که با 4 کیوبیت ساخته شود با 50 بیت کوانتومی (کیوبیت) ساخته شود، هیچ ترکیبی از 500 ابرکامپیوتر برتر امروزی در مقابل این کامپیوتر کوانتومی موفق نخواهند بود، همین موضوع آن‌را شگفت‌انگیز می‌کند.