نوشته‌ها

فزایش آزمایش محاسبات کوانتمی دری بر روش جدیدی از حل مسائل باز خواهد کرد.

محاسبات کوانتمی پنجاه سال است که نگاه ها را به سمت خود معطوف کرده. دلیلش ساده است: مسیری برای حل مسائلی باز می‌کند که با ماشین کلاسیک حل شدنی نیستند. نمونه ای از این دست، در شبیه سازی‌های شیمی که مواد و مولکول‌های جدید را توسعه می‌دهند و مسائل بهینه سازی پیچیده را حل می‌کند که به دنبال بهترین گزینه بین تمام احتمال‌ها هستند. هر صنعت نیاز به بهینه سازی دارد که خود دلیلی ست بر این فناوری که بسیار پتانسیل مخرب دارد.

تا این اواخر، دسترسی به کامپیوترهای کوانتمی نوظهور محدود بود به مختصصینی که در معدود آزمایشگاه‌هایی سرتاسر دنیا کار می‌کردند. ولی پیشرفت هفته ساله اخیر، ساختن اولین دستگاه پیش تولید را ممکن کرده که می‌تواند در نهایت ایده‌ها، الگوریتم‌ها و دیگر تکنیک‌هایی که تاکنون تماما نظری بودند بیازماید. کامپیوترهای کوانتمی با توانایی مکانیک کوانتم، مسائل را به مبارزه می‌طلبند. حل کردن مسائل به صورت تکی در ماشین‌های کلاسیک با مقیاس‌های کلاسیک توجیه‌پذیر نیست. ماشین‌های کوانتمی با استفاده از برهم نهی تمام احتمال‌ها کارش را شروع می‌کند و آنگاه از تداخل و گیراندازی برای پیدا کردن جواب درست استفاده می‌شود – این دو پدیده را ما در حالت کلاسیک و زندگی روزمره نمی‌بینیم.

 

 

نتیجه‌ی مطلوبی که این دستگاه ها می‌دهند اما هزینه‌ای که دارد، پیچیدگی و دشواری ساخت آن‌هاست. طرح عمومی آن‌ها نیاز به مواد ابرسیال دارد (۱۰۰ مرتبه سردتر از فضای بیرون از جو زمین)، کنترل دقیق حالت‌های ظریف کوانتمی و سپر ساختن برای پردازنده تا از رسیدن یک تک پرتو نور هم ممانعت به عمل آید. ماشین‌های کنونی هنوز آنقدر کوچکتر از آن هستند که به طور کامل مسائل پیچیده‌تر از آنچه ابرکامپیوترهای کنونی می‌توانند امکان‌پذیر کنند، حل کنند. با این اوصاف، پیشرفت شگرفی داشته‌اند. الگوریتم‌ها توسعه پیدا کرده‌اند و می‌توانند در ماشین‌های کوانتمی سریع‌تر کار کنند. حال تکنیک‌های موجود انسجام طولانی (اطلاعات کوانتمی برای تمام عمر) در بیت‌های کوانتمی ابررسانا با ضریب بیش از ۱۰۰ نسبت به ۱۰ سال قبل دارند.

می‌توانیم مهم‌ترین گونه های خطاهای کوانتمی را تخمین بزنیم. در سال ۲۰۱۶ IBM از اولین کامپیوتر کوانتمی همگانی در Cloud رونمایی کرد (IBM Q)- با رابط گرافیکی برای برنامه نویسی روی آن و حالا با رابط زبان پایتون (Python) در دسترس است. با در اختیار قرار دادن این سیستم فیزیکی به دنیایی که از اینترنت استفاده می‌کند و برای این فناوری و پیشرفتش حیاتی ست، بیش از ۲۰ مقاله آکادمیک با این سیستم فیزیکی منتشر شده. این حوزه به سرعت در حال گسترش است. گروه‌های پژوهشی آکادمیک و بیش از ۵۰ استارتاپ و شرکت‌های بزرگ در سرتاسر دنیا، بر به وجود آوردن محاسبات کوانتمی به عنوان یک واقعیت روزمره تمرکز کرده‌اند.

با این پیشرفت‌های فناوری و ماشینی که نوک انگشتان همه است و حالا زمان آماده شدن برای دوره کوانتمی فرا رسیده. مردم می‌توانند اینطور در نظر بگیرند که اگر ماشین‌هایی که امروز هستند می‌توانستند مسائل را حل کنند، آن‌ها چه باید می‌کردند. و بسیاری از راهنماهای محاسبات کوانتمی برای شروع به صورت آنلاین در اختیار هستند. هنوز موانع بسیاری پیش‌ِروست. زمان‌های انسجام (Coherence time- Tc- برابر است با معکوس بیشینه فرکانس دوپلر) باید بهتر شوند، نرخ خطاهای کوانتمی باید کاهش یابد و به مرور، باید خطاهایی که روی می‌دهند را از بین ببریم یا تصحیح کنیم.

 

پژوهشگران به نوآوری‌هایشان در دو حوزه سخت افزار و نرم افزار ادامه می‌دهند. با این حال، سرمایه گزاران مخالفند چرا که اعتقاد دارند معیارها مشخص خواهند کرد چه زمانی محاسبات کوانتمی به بلوغ لازم در فناوری رسیده. تعدادی از این پژوهشگران هم تعریف‌های استانداردی ارائه کرده اند که برای عموم چندان قابل توضیح نیست مگر تخصص داشته باشند. و دیگران با این تعاریف موافق نیستیم، چرا که محاسبات کوانتمی به عنوان یک فناوری خودش را معرفی نمی‌کند تا زمانی که واقعاً بتواند مسائلی را حل کند که برای بازرگانان، متخصصین و اجتماع مهم هستند. خبر خوب این است که آن روز دقیقا در افق دید ما قرار دارد.


منبع:

ُScientific American (Dario Gil-رییس پژوهشکده علوم آی بی ام)
کامپیوترهای شخصی کوانتمی
IBM
IBM Q

پویتر سرویس IBM Q ابر- پایه به نظر چندان تفاوتی با کامپیوترهای کلاسیک نخواهند داشت.

آی بی ام بر آن است که اولین کامپیوتر کوانتمی همگانی را معرفی کند. این شرکت IBM Q را با دریافت هزینه ای برای مشتریانش از طریق اینترنت در دسترس قرار خواهد داد. بهتر از کامپیوترهای کلاسیک کار نخواهد کرد! حداقل فعلا. ولی این شرکت اعلام کرده که این دستگاه منجر به توسعه قابل توجه در بازار برای آینده‌ی مکانیک کوانتم خواهد شد که می‌تواند محاسبات پیچیده را که الان کامپیوترهای کلاسیک نمی‌توانند انجام دهند، به انجام برساند. سرویس ابر آخرین راه در مبارزه ساخت کامپیوترهای کوانتمی است.

این پروژه براساس پیشرفت دانشی ست که سرویس محاسباتی ابر موجود در IBM فراهم آورده: آزمایش کوانتمی (Quantum Experience) که هرکسی می‌تواند بدون هزینه در اختیار داشته باشد. این سیستم سال ۲۰۱۶ آنلاین شد و اخیراً رابط کاربری اش ارتقا یافته. جری چو فیزیکدان سرپرست آزمایشگاه محاسبات کوانتمی در مرکز پژوهشی یورک‌تاون IBM می‌گوید:«ده ماه استفاده از آن بسیار به ما آموخته. راهی را برای پژوهشگران باز کرده که در سرتاسر دنیا بدون دسترسی به کامپیوتر کوانتمی الگوریتم‌های کوانتمی را تجربه کنند. آی بی ام، استراتژی کُلی برای ساخت یک اجتماع و اکوسیستم حول و حوش فناوری خودش دارد.»

 

این شرکت درباره‌ی IBM Q و زمان آنلاین شدنش سکوت کرده. عده‌ای برآن هستند که همین امسال خواهد بود. میزان قدرت این سیستم کوانتمی یا هزینه ای که برای داشتنش باید متحمل شد، از کسی پوشیده نیست. آی بی ام اعلام کرده که اولین مشتریانش را جذب کرده و اگرچه هویت آن ها را اعلام نکرده ولی پارتنرهای تجاری را همراه خود کرده تا کاربردهای این ماشین را به مرحله آزمون بگذارند و توسعه دهند.

 

رقابت کوانتمی

کامپیوترهای کوانتمی وپژگی‌های غیربصری فیزیک ذرات بنیادی را به صورت بیت‌های اطلاعات به نام بیت‌های کوانتمی، یا کوبیت (Qubits) در اختیار می‌گیرند و می‌توان حالت‌های همزمان و چندگانه کوانتمی را به جای یک حالت ۰ یا ۱ برایشان متصور شد. اوایل سال‌های ۱۹۹۰، فیزیکدان نظری در آی بی ام، الگوریتم‌هایی بر اساس کوبیت نوشت که در نظریه می‌توانستند به صورت نمایی سریع‌تر از کامپیوترهای کلاسیک امروزی کارشان را انجام دهند.

ولی در عمل، کوبیت‌های لازم برای راه اندازی چنین الگوریتم‌هایی با عنوانی چون کامپیوتر همگانی کوانتمی چالش بر انگیز است. دو فناوری برای یاری رساندن به کوبیت‌ها با هم ترکیب شدند. یکی تک یون‌ها را در خلا با استفاده از میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی در اختیار می‌گیرد و دیگری کوبیت‌ها را به مدارهای ابررسانای میکروسکوپی هدایت می‌کند که چند درجه بالای صفر مطلق هستند. آی بی ام، به سختی دنبال روش دوم است.

در سال‌های اخیر گوگل هم وارد این بازی شده و در سانتا باربارا، کالیفرنیا، روی ابر رسانا-کوبیت کار می‌کند. گوگل، آی بی ام، و تعداد قابل توجهی شرکت‌های دیگر و آزمایشگاه های دانشگاهی نقشه‌ی راه جدی برای ساخت ماشین‌هایی که بتوانند فراتر از کامپیوترهای کلاسیک باشند ترسیم کرده اند. ولی این ماشین‌ها باید هرکدام ۵۰ کوبیت اجرا کنند. رکورد کنونی حدود ۲۰ کوبیت است که برا محاسبات ساده کافی ست.

تجربه گرایی

پس وقتی آی بی ام از تجربه‌ی کوانتمی حرف می‌زند که ۵ کوبیت ابررسانا راه اندازی می‌کند، عده‌ای نکته را نگرفتند. کریستوفر مونرو، فیزیکدانی که در آزمایشگاه گیر اندازی یون، دانشگاه مریلند در پارک فناوری کار می‌کند می‌گوید:«بسیاری از دوستان آن را شیرین کاری رسانه‌ای می‌دانند، ولی من فکر می‌کنم واقعا کار بزرگی است.»

حتی اگر این ماشین آی بی ام، بی نظیر نباشد، این شرکت بر چند چالش فائق آمده تاQE آنلاین را به انجام برساند و برای پژوهشگرانی که لزوما فیزیکدان هم نیستند و هرگز با کامپیوتر کوانتمی هم کار نکرده‌اند، قابل استفاده کند. این شامل خلق سیستم‌هایی هم می‌شود که بدون ثابت‌های مورد نظر فیزیکدانان که ماشین را ساختند، کار می‌کند. مونرو معتقد است که قرار دادن ماشین در ابر داده ها دققا همان کاری ست که باید انجام شود، ولی واقعا کار زیادی می‌طلبد تا این فرایند به آنچه که باید برسد.

با دسترسی به دستگاهی که QE را به انجام برساند یا IBM Q بدان معناست که پژوهشگران سرتاسر دنیا می‌توانند چالش‌های بی نظیری از برنامه نویسی را تجربه کنند. این برنامه نویسی با کُد زنی کلاسیک برمنامه نویس‌ها فرق دارد و باید حدهای فیزیکی روی کوبیت‌ها گذاشت. در اصل، یک ماشین ۵ کوبیت برای شبیه سازی آنچه کامپیوتر کلاسیک و حتی لپتاپ انجام می‌دهد کافی ست. ولی کوبیت‌های واقعی آنقدرها هم ساده نیستند .

ایزاک چوانگ فیزیکدان MIT بر آن است که چالش واقعی این است که شما می‌توانید الگوریتم خودتان را بسازید که بتواند با سخت افزار واقعی کار کند و کاستی‌های خودش را داشته باشد. چو می‌گوید که IBM Q کوبیت‌های بیشتری نسبت به آزمایش کوانتمی خواهد داشت ولی این شرکت هنوز عدد کوبیت خاصی را اعلام نکرده.

 

 

عصر ابر کوانتمیQE تا اینجا حدود ۴۰ هزار کاربر از بیش از ۱۰۰ کشور جذب کرده. برای مثال چوانگ به صورت آنلاین در تدریس دوره ارشد محاسبات کوانتمی از آن استفاده کرده. دانشجویان می‌توانستند برنامه نویسی در یک کامپیوتر کوانتمی را تجربه کنند. کاربرهای این دستگاه ۲۷۵ هزار آزمایش انجام دادند و ۱۵ مقاله پژوهشی حاصلش بود. بین آن‌ها یکی از تیم‌ها به سرپرستی مونرو و همکارانش بود که کارایی ماشین ابررسانای آی بی ام را با ۵ کوبیت یونی در آزمایشگاه مونرو مقایسه می‌کردند. سرویس ابر کوانتمی این شرکت سریع تر بود ولی ماشین مونرو دقیق‌تر عمل می‌کرد.

مونرو استارتاپی را پایه گذاری کرده به نام IonQ که انتظار دارد ابر-پایه باشد و سرویس یونی کوانتمی ارائه دهد ولی مشخص نکرده چه زمانی به انجام می‌رسد. گوگل برنامه دارد تا همین کار را با ابررسانای مکانیک کوبینی اش انجام دهد، ولی جان مارتینیس سرپرست آزمایشگاه محاسبات کوانتمی این شرکت در سانتا باربارا می‌گوید تا زمانی که کامپیوتر ۵۰ کوبیتی کار نکند چنین مهمی به انجام نخواهد رسید.

در همین حین، D-Wave شرکتی در برنابی کانادا، سرویس محاسبات کوانتمی دارد که از ۲۰۱۰ محاسبات کوانتمی در ابر داشته. جرمی هیلتون می‌گوید:«هسته‌ی استراتژی ما واقعاً حرکت رو به جلو تا رسیدن به ابری ست که به این مدل برسد.» ولی ماشین‌های D-Wave کامپیوترهای همگانی نیستند و فقط می‌توانند گستره محدودی از الگوریتم‌های کوانتمی را انجام دهند. با این حال، گروه‌های متعددی از پروژه آن‌ها استفاده کرده‌اند.


منبع:

Scientific American

IBM Q
کامپیوترهای شخصی کوانتمی
D Wave

حتی کاربرهای معمولی کامپیوتر هم می‌توانند به امکانات کامپیوترهای کوانتومی دسترسی داشته باشند. در آینده ممکن است شما نیازی به یک کامپیوتر کوانتومی شخصی نداشته باشید تا الزاماً با آن از محاسبه‌گری کوانتومی به طور ایمن بهره‌مند شوید. محققان برای اولین بار نشان دادند که چطور کاربران معمولی کامپیوتر کلاسیک می‌توانند از راه دور به منابع آنلاین محاسبه‌گرهای کوانتومی دسترسی داشته باشند، در حالی که محاسبات کوانتومی خود را به طور کاملاً ایمن حتی از خود کامپیوتر کوانتومی هم مخفی نگه دارند. ادامه مطلب …