کامپیوتر کوانتومی گوگل صد میلیون بار سریع‌تر از یک تراشه عادی است

جبعه سیاه در قلب ابرمحاسبات پیشرفته ناسا در سیلیکون ولی نشست. این جعبه سیاه حجم بسیار کمی اشغال کرده، به‌طوری که اندازه آن از یک کامپیوتر معمولی کوچک‌تر است. اما درونش دنیایی از اتفاقات در جریان است. این جعبه سیاه یک کامپیوتر کوانتومی D-Wave 2X است. یکی از پیشرفته‌ترین نمونه‌هایی که در سال‌های اخیر بر اساس مکانیک کوانتوم طراحی شده و به لحاظ تئوری مشکلات پیچیده را به جای چند  سال در چند ثانیه حل می‌کند.

مطلب پیشنهادی: آی‌بی‌ام به محاسبات کوانتومی واقعی نزدیک‌تر می‌شود

کامپیوترهای کوانتومی بر اساس اصول متفاوتی که کامپیوترهای امروزی بر پایه آن‌ها کار می‌کنند و در آن هر بیت توانایی نگه‌داری یک مقدار صفر یا یک را دارد رفتار می‌کنند. در محاسبات کوانتوم هر بیت توانایی نگه‌داری هر دو مقدار صفر یا یک را به‌طور همزمان دارد. به‌طوری که در یک لحظه توانایی نشان دادن هشت حالت ممکن (2^3) را دارد. این بدان معناست که محاسبات به لحاظ نظری با سرعت بسیار بالایی انجام می‌شوند. البته لازم به توضیح است این تحقیقات هنوز در مرحله ابتدایی قرار دارند و استفاده تجاری از آن‌ها ممکن است یک دهه به طول بیانجامد. اما یک تیم از مهندسان گوگل و ناسا روز پنج‌شنبه اعلام کردند، کامپیوتر 2x D-wave این توانایی را دارد تا مسائل را به شیوه بهینه‌سازی شده‌ای حل کند. به‌طوری که نزدیک به 100 میلیون بار سریع‌تر از کامپیوترهای متعارف امروزی است که بر پایه یک هسته کار می‌کنند. به عبارت دیگر کاری که یک ماشین D-wave آن‌را در یک ثانیه انجام می‌دهد، یک کامپیوتر امروزی همان وظیفه را با استفاده از یک هسته در 10 هزار سال انجام می‌دهد. اما به نظر می‌رسد در میان شرکت‌های بزرگ فناوری، گوگل اطمینان کاملی به قابلیت‌های فنی کامپیوتر کوانتومی D-Wave 2X دارد. ماشین D-Wave 2X ملموس‌ترین شکل رایانش کوانتومی را در اختیار ما قرار می‌دهد. ماشینی که محاسباتش بر مبنای بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت‌ها قرار دارد. هر بیت کوانتومی به جای آن‌که به شیوه سنتی تنها با صفر و یک کار کند این توانایی را دارد تا به‌طور همزمان مقادیر صفر، یک یا هر دو حالت را نگه‌داری کند. کیوبیت‌ها این توانایی را دارند تا در وضعیت و مکان‌های مختلفی قرار بگیرند. در محاسبات کوانتومی، یک کیوبیت یا کوانتوم بیت، واحد پایه‌ای پردازش کوانتومی و رمزنگاری کوانتومی بوده و مشابه بیت (صفر و یک) در کامپیوترهای کلاسیک است. کیوبیت کوچک‌ترین واحد ذخیره‌سازی اطلاعات در واحد کوانتوم است.  

در یک سیستم کلاسیک، هر بیت در یک لحظه تنها توانایی نگه‌داری یکی از مقادیر صفر یا یک را دارد. اما قوانین مکانیک کوانتومی به کیوبیت‌ اجازه می‌دهند در همان حال، حالتی را برابر با برهم نهی در دو حالت اصلی اختیار کند، همین موضع باعث می‌شود، پردازش‌های کوانتومی از قدرت ویژه‌ای برخوردار شوند. به عبارت دیگر، یک کیوبیت هم ممکن است در حالت‌های صفر و یک قرار داشته و هم می‌تواند در ترکیبی از این دو حالت قرار بگیرد. یک کامپیوتر کوانتومی این توانایی را دارد تا از مجموعه‌ای از کیوبیت‌ها پشتیبانی کند. ( در مورد D-Wave 2X پردازنده بر مبنای یک تراشه 2048 کیوبیتی رفتار می‌کند. اما تنها نیمی از کیوبیت‌های آن فعال هستند، اما این احتمال وجود دارد که در آینده این بیت‌ها فعال شوند.) یک کیوبیت واحدی برای نشان دادن یک مقدار صفر، یک مقدار یک؛ یا هر انطباق کوانتومی از این دو حالت است. انطباق کوانتومی که در اصلاح رایج آن‌را برهم نهی کوانتومی می‌نامند بر پایه معادله شرودینگر قرار دارد. به این معنی که ما می‌توانیم با جمع هر حالت دلخواه از حالت‌های خالص دوباره به یک جواب حالت خالص دیگر دسترسی پیدا کنیم. این جواب‌ها عمود برهم خواهند بود و این جواب خود یک جواب معادله شرودینگر است که به آن برهم نهی کوانتومی می‌گویند. در تصویر زیر تراشه Vesuvius  که در قلب سیستم D-wave 2x قرار گرفته است را مشاهده می‌کنید. تراشه‌ای که اکنون در سیلیکون ولی و در قلب ابرمحاسبات ناسا قرار گرفته است.

 در دو آزمایشی که توسط آزمایشگاه هوش مصنوعی کوانتومی گوگل انجام شده است، این شرکت اعلام داشته، ماشین D-Wave به مراتب سریع‌تر از یک تراشه مورد استفاده در کامپیوترهای کلاسیک داده‌ها را پردازش کرده است. هارتمات نوین مدیر بخش مهندسی گوگل درباره نتایج به دست آمده از این آزمایش گفته است: «ما در آزمایش‌ها مشاهده کردیم مدل بازپخت کوانتومی (quantum annealing) بر روی مسئله‌ای با 1000 متغیر باینری نسبت به مدل کلاسیکی که بر مبنای الگوریتم تبرید شبیه‌سازی رفتار می‌کند، به طرز قابل توجهی سریع‌تر است. به‌طوری که 10^8  مرتبه سریع‌تر از شبیه‌سازی تبریدی روی یک هسته مجزا رفتار می‌کند. ما همچنین سخت‌افزار کوانتومی را با الگوریتم دیگری به نام Quantum Monte Carlo مقایسه کردیم. الگوریتمی که با هدف شبیه‌سازی رفتارهای کوانتومی مورد استفاده قرار گرفته با این تفاوت که روی پردازنده‌های عادی اجرا می‌شود. در نمونه فوق نیز کامپیوتر کوانتومی از سرعت بسیار بالایی برخوردار بوده است.»

شاید برای بسیاری این پیش‌آمد یک رویداد ساده باشد، اما در مقابل برای شرکت‌های بزرگ یک خبر بسیار هیجان‌برانگیز است. به‌طوری که کامپیوترهای کوانتومی D-wave به شرکت‌هایی همچون صنایع لاکهید مارتین و آزمایشگاه ملی لوس آلاموس فروخته شده است. با این وجود گوگل همچنان به همکاری خود با بخش رایانش کوانتومی ناسا ادامه خواهد داد. گوگل آزمایشگاه رایانش سخت‌افزاری خاص خود را دارد و به نظر می‌رسد در آغاز راه قرار دارد. جان مارتینز پروفسور فیزیک در دانشگاه کالیفرنیا و رهبر برنامه سخت‌افزاری گوگل در این ارتباط گفته است: «دوست دارم بگویم ساخت یک کامپیوتر کوانتومی بسیار بسیار سخت است. اول از همه ما باید اطمینان حاصل کنیم که این محصول کار می‌کند. دوم آن‌که درباره هزینه یا اندازه این کامپیوتر یا هر چیزی دیگری نباید احساس نگرانی کنیم.» هر چند برنامه‌های کاربردی تجاری برای این فناوری یک شبه ساخته نمی‌شوند، اما این امکان وجود دارد که رایانش کوانتومی در نهایت تبدیل به راه‌کاری شود که در زمینه شناسایی تصاویر که امروزه در بسیاری از سرویس‌های گوگل وجود دارند مورد استفاده قرار گیرد. این ابزار همچنین ممکن است برای کارهای سنتی همچون پاک کردن داده‌های غیر ضروری مورد استفاده قرار گیرد. دیوید بل، مدیر مؤسسه تحقیقات دانشگاه فضایی و علوم کامپیوتر در این ارتباط گفته است: «خارج از گوگل، سرعت کوانتوم ممکن است باعث بهبود فعالیت‌هایی همچون برنامه‌ریزی و زمان‌بندی مدیریت ترافیک هوایی شود. مشابه کاری که D-Wave در ایمز ناسا انجام می‌دهد. »