کشف راهی جدید برای انجام محاسبات کوانتومی در دمای اتاق
نزدیکی محاسبات کوانتومی به دنیای کامپیوترهای شخصی
شرکت استرالیایی/آلمانی Quantum Brilliance در حال توسعه شتابدهندههای کوانتومی قدرتمندی در اندازه کارت گرافیک است. این شتاب‌دهنده‌ها در دمای اتاق کار می‌کنند و نسبت به ابررایانه‌های کوانتومی عظیم امروزی که قابلیت کار در دمای پایین را دارند، عملکرد بهتری دارند و ارزان‌تر هستند. این شرکت در حال آزمایش و توسعه تکنیک‌هایی برای ساخت، مقیاس‌پذیری و کنترل کیوبیت‌های تعبیه‌شده در الماس مصنوعی است. جالب آن‌که شرکت فوق اعلام کرده، در آینده نزدیک ابعاد این پردازنده به اندازه‌ای کوچک خواهد شد که می‌توان از آن در تجهیزات سیار استفاده کرد.
کامپیوترهای کوانتومی ابررسانا امروزی ماشین‌های بزرگی هستند که توان عملیاتی زیادی ارائه می‌کنند. این کامپیوترها باید هر عاملی که باعث میشود اسپین الکترون از بین برود و محاسبات مخدوش شوند را حذف کنند. یک راهکار شامل جداسازی مکانیکی، در محفظه‌های خلاء شدید است، جایی که تنها چند مولکول در یک یا دو متر مکعب از فضا باقی می‌مانند. رویکرد دیگر شامل میدان‌های الکترومغناطیسی است؛ به‌طور مثال آی‌بی‌ام، بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت‌های ارزشمند خود را با مو-فلزات (mu metals) احاطه می‌کند تا میدان‌های مغناطیسی را جذب کنند.
راهکار دیگر دما است. هر اتمی با دمای بالاتر از صفر مطلق در حالت ارتعاش قرار می‌گیرد و هر دمایی بیش از ۱۰ تا ۱۵ هزارم درجه بالاتر از صفر مطلق به‌سادگی کیوبیت‌ها را تا حدی تکان می‌دهد که نمی‌توانند همسویی را حفظ کنند. بنابراین، بیشتر رایانه‌های کوانتومی پیشرفته باید با استفاده از تجهیزات پیچیده و گران‌قیمت به‌صورت کرایوژنتیک یا فوق سرد خنک شوند تا کیوبیت‌ها حالت خود را برای مدت طولانی حفظ کنند.
با این حال، خلاءهای شدید، مو-فلزات و خنک‌کنندگی فوق سرد با دمای میکروکلوین، راهکارهایی نیستند که بتوان در ارتباط با محاسبات کوانتومی مقرون‌به‌صرفه، قابل حمل یا مقیاس‌پذیر از آن‌ها استفاده کرد. یک استارتاپ استرالیایی می‌گوید که ریزپردازنده کوانتومی‌ای ساخته که به هیچ‌‌یک از این فناوری‌ها نیاز ندارد و در واقع، در دمای اتاق به‌خوبی کار می‌کند. در حال حاضر، اندازه این ریزپردازنده به اندازه یک رک است، اما به‌زودی ابعاد آن به اندازه یک کارت گرافیکی خواهد رسید و در آینده نزدیک به اندازه‌ای پیشرفت خواهد کرد در دستگاه‌های تلفن همراه در کنار پردازنده‌های قدیمی قرار خواهد گرفت.
اگر وعده‌های این شرکت تحقق یابد، این امکان وجود دارد که مزایای رایانش کوانتومی را به کامپیوترهایی در ابعاد رایج امروزی وارد کنیم و از قابلیت‌ها و توان پردازشی این فناوری قدرتمند که در انحصار ابررایانه‌ها قرار دارد در کامپیوترهای دسکتاپی استفاده کنیم. اگر محاسبات کوانتومی و نرم‌افزارهای مرتبط با آن‌ها به دنیای پردازنده‌های مرکزی وارد شوند به این معنا است که دیگر به ارسال داده‌ها به ابر با هدف پردازش آن‌ها نیازی نداریم و امکان انجام محاسبات پیچیده روی دستگاه‌های مصرفی کاربران وجود دارد.
در یکی از مقالات شرکت کوآنتوم برلیانس در این ارتباط آمده است: «کامپیوترهای کوانتومی الماسی (Diamond Quantum Computers) همدمای اتاق شامل مجموعه‌ای از گره‌های پردازنده هستند. هر گره پردازنده از یک مرکز نیتروژن-تهی (NV) (یک حفره در شبکه الماسی متشکل از یک اتم نیتروژن جایگزین در مجاورت یک مکان خالی) و یک خوشه از اسپین‌های هسته‌ای تشکیل شده است. اسپین‌های هسته‌ای به‌عنوان کیوبیت‌های کامپیوتر عمل می‌کنند، در حالی که مراکز نیتروژن تهی به‌عنوان گذرگاه‌های کوانتومی عمل می‌کنند که فرآیند مقداردهی اولیه و بازخوانی کیوبیت‌ها و عملیات چند کیوبیتی درون و بین گره‌ای را مدیریت می‌کنند. محاسبات کوانتومی از طریق فرکانس رادیویی، مایکروویو، میدان‌های نوری و مغناطیسی کنترل میشود.»
البته ابداع چنین روشی جدید نیست، زیرا ایده به‌کارگیری کیوبیت‌های کوانتومی همدمای اتاق بیش از ۲۰ سال قبل مطرح شد. سهم شرکت کوانتوم برلیانس در این زمینه ساخت این مولفه‌های کوچک به‌شکل دقیق و قابل تکرار، کوچک‌سازی و یکپارچه‌سازی ساختارهای کنترلی مورد نیاز برای دریافت اطلاعات داخل و خارج کیوبیت‌ها است.
مارک لو، بنیان‌گذار و مدیر ارشد اجرایی این شرکت می‌گوید: «الماس ماده‌ای سفت و سخت است که ویژگی‌های منحصربه‌فرد زیادی دارد که پایداری پدیده‌های کوانتومی را بیشتر می‌کند. همین موضوع باعث میشود تا بتوان از فناوری جدید در تعامل با بیشتر سیستم‌های کنترل کلاسیک که وجود دارند استفاده کرد».
مارک ماتینگلی اسکات که بر عملیات این شرکت از آلمان نظارت دارد در این ارتباط می‌گوید: «ویژگی اساسی که ما از آن استفاده می‌کنیم، اسپین هسته‌ای و نه اسپین الکترون است. برای مثال، یک اتم نسبت به یک الکترون کمتر به ارتعاشات حرارتی حساس است، از این‌رو می‌تواند در دمای اتاق کار کند. در فضای خالی از نیتروژن، یک حفره وجود دارد که از طریق آن می‌توانیم با کیوبیت‌ها تعامل داشته باشیم. تعاملات زیادی وجود دارند، بنابراین در هر جای خالی به‌طور بالقوه چند کیوبیت دریافت می‌کنیم.»
این شرکت توانسته است تعدادی کیت توسعه کوانتومی در واحدهای رک تولید کند که هر کدام حدود 5 کیوبیت دارند و این کیت‌ها را برای محک‌زدن، ادغام و فرصت طراحی مشترک در اختیار شرکا و مشتریان خاص قرار دهد تا شرکت‌ها بتوانند به بررسی این موضوع بپردازند که تا سال ۲۰۲۵ این کیت‌ها که در قالب محصول شتاب‌دهنده کوانتومی ۵۰ کیوبیتی روانه بازار می‌شوند، در چه حوزه‌هایی به آن‌ها کمک می‌کند. مارک لو می‌گوید: «بیش از یک دهه است در حال کار روی این موضوع هستیم و این قابلیت را به‌دست آورده‌ایم تا بتوانیم یک سیستم کوانتومی روی یک تراشه برای دستگاه‌های تلفن همراه تولید کنیم. ما در مرکز Supercomputing Pawsey که در حال حاضر بزرگ‌ترین مرکز ابررایانه‌ای در نیم‌کره جنوبی و متعلق به سازمان پژوهش‌های علمی و صنعتی همسود (CSIRO) سرنام Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation است، تحقیقات گسترده‌ای در ارتباط با رایانش کوانتومی انجام داده‌ایم. ما اولین مرکز نوآوری کوانتومی ابرکامپیوتری استرالیا را تأسیس کردیم و برنامه Pawsey Pioneer را راه‌اندازی کردیم که در آن گروه‌های صنعتی و تحقیقاتی می‌توانند از سیستم‌عامل کوانتومی ما استفاده کنند. ما در حال استقرار اولین سیستم محاسباتی کوانتومی الماسی با دمای اتاق در جهان هستیم که در سه ماهه اول ۲۰۲۲ در مرکز Pawsey مستقر شده است. قرار بود این کار زودتر انجام شود، اما به‌دلیل کرونا به تاخیر افتاد.»
عملکرد این سیستم‌های محاسباتی در مقایسه با کامپیوترهای کوانتومی ابررسانای سنتی چگونه است؟ ماتینگلی اسکات می‌گوید: «عملکرد سامانه عالی است. کیوبیت‌های ابررسانا معمولاً همدوسی خود را برای ۱۰۰ تا ۱۵۰ میکروثانیه حفظ می‌کنند. حالت همدوسی در مکانیک کوانتومی نوع خاصی از حالت کوانتومی است که دینامیکش تقریباً به رفتار نوسانی یک نوسانگر هارمونیک کلاسیک شباهت دارد. در الماس‌های همدمای اتاق، ما در مورد میلی‌ثانیه صحبت می‌کنیم؛ مثلاً هزار بار طولانی‌تر و این بدان معنا است که می‌توانید کارهای بیشتری انجام دهید. این بخشی از معادله است، بخش دیگر نرخ خطا است. کیوبیت‌ها اساساً دارای یک نرخ خطا هستند، حتا قبل از این‌که همدوسی خود را از دست بدهند و به تصادفی بودن محض نزول پیدا کنند. نرخ خطایی که ما با کیوبیت‌های خالی از نیتروژن دریافت می‌کنیم، بسیار بسیار خوب است. بنابراین، پاسخ اولیه این است که بله، این کیوبیت‌ها بسیار قدرتمند هستند و کاری که می‌توانید با این کیوبیت‌ها انجام دهید بسیار قدرتمندتر از کارهایی است که می‌توانید با کیوبیت‌های ابررسانا انجام دهید، زیرا از آن‌جایی‌که آن‌ها می‌توانند وضعیت خود را برای مدت زمان بیشتری حفظ کنند، زمان بیشتری برای کار با آن‌ها دارید.»
چه زمانی یکی از این کیوبیت‌ها به نقطه عطف تاریخی برتری کوانتومی می‌رسد و از هر ابرکامپیوتری در حل تست‌های آزمایشگاهی خاص قدرتمندتر عمل می‌کند؟ لو می‌گوید: «ما نقشه راه پنج سالهای برای تولید چیزی داریم که آن را ابزار کوانتومی می‌نامیم. سیستم‌های دیگر نمی‌توانند کوچک‌سازی کنند، اما ما توانایی انجام این‌کار را داریم. بنابراین آن‌چه مورد نظر ما است، تولید یک کامپیوتر کوانتومی یا شتاب‌دهنده کوانتومی است که به‌منظور ارائه عملکرد مطلوب ابعاد و وزنی همانند کامپیوترهای امروزی دارد».
چشم‌انداز شرکت کوانتوم برلیانس این است که کیوبیت‌ها را به یک رشته (String) اضافی با قابلیت ادغام آسان در هر کامپیوتری تبدیل کنند. چیزی شبیه کارت‌های گرافیک پیشرفته امروزی که در مقادیر انبوه تولید می‌شوند تا در طیف وسیعی از سیستم‌ها با هزینه پایین‌تر کار کنند. توسعه‌دهندگان نرم‌افزار می‌توانند از محاسبات سنتی در جایی که سودمند است و از محاسبات کوانتومی در شرایطی که عملکرد خوبی دارند، استفاده کنند.
به‌عنوان مثال، می‌توان در کارهایی که شامل شبیه‌سازی ساختار اتمی یا مولکولی است از محاسبات فوق استفاده کرد. متینگلی اسکات می‌گوید: «از سخت‌افزار جدید می‌توان در توسعه دارویی، توسعه باتری‌های جدید، تحلیل محاسبات پیچیده فضایی، جبر خطی و عملیات به سبک ماتریس که زیربنای یادگیری ماشین و هوش مصنوعی است استفاده کرد».
نکته بسیار مهمی که باید در ارتباط با رایانش کوانتومی به آن اشاره داشته باشیم این است که فناوری فوق این ظرفیت را دارد تا محاسبات پیچیده را با صرف انرژی کمتری نسبت به سامانه‌های امروزی انجام دهد که باعث کاهش هزینه‌ها میشود.
متینگلی اسکات می‌گوید: «تأثیر بالقوه محاسبات کوانتومی در تجارت این است که تقریباً هر کاری که انجام می‌دهیم و نحوه انجام آن را تغییر خواهد داد. من به مدت ۳۲ سال در IBM روی مبحث رایانش کوانتومی کار کردم و در پنج سال آخر، برنامه Ambassador Program آی‌بی‌ام را پیاده‌سازی کردم که اساساً یک کانال پیش‌فروش و فروش فناوری برای محاسبات کوانتومی بود. من به‌دقت روی کارهایی که در مورد الماس‌ها انجام می‌شد نظارت داشتم، زیرا از این نکته اطلاع داشتم که اگر بتوانیم نیاز به خنک‌‌سازی برودتی کامپیوترهای کوانتومی را برطرف کنیم، ارزش پیشنهادی که به مشتریان می‌دهیم دوچندان میشود. بنابراین فعالیت‌های شرکت کوانتوم برلیانس را برای مدتی دنبال کردم و متوجه شدم هیچ شرکت دیگری به اندازه این شرکت این‌گونه روی ارزش پیشنهادی کار نمی‌کند. به همین دلیل در اولین فرصت به این شرکت پیوستم».
او در ادامه می‌افزاید: «با وجود برنامه پنج ساله، ما برای رسیدن به شتاب‌دهنده کوانتومی که قرار است به اندازه کارت گرافیکی باشد با ابهامات و متغیرهای ناشناخته زیادی روبه‌رو هستیم، اما منتظر یک فناوری جادویی نیستیم. هیچ کم‌وکاستی وجود ندارد. ما می‌دانیم چگونه آن دستگاه را تولید کنیم. فقط باید آستین‌ها را بالا بزنیم و انجامش دهیم. با این‌حال، نمی‌توانم تاریخ دقیقی را به شما بگویم، اما در حال حرکت به این سمت هستیم».
رونمایی آی‌بی‌ام از پردازنده کوانتومی ۱۲۷ کیوبیتی
در همین ارتباط، شرکت آی‌بی‌ام به‌تازگی پردازنده جدید ۱۲۷ بیتی کوانتومی (کیوبیت) خود تحت عنوان Eagle را معرفی کرد تا دستاوردهای خود در سخت‌افزار و نرم‌افزار کوانتومی و رشد اکوسیستم کوانتومی را به‌نمایش بگذارد.
پردازنده ایگل دستاورد بزرگی در بهره‌مندی از ظرفیت محاسباتی عظیم دستگاه‌های مبتنی بر فیزیک کوانتومی است که نویدبخش نقطه عطفی در توسعه سخت‌افزاری است که در آن مدارهای کوانتومی را می‌توان به‌طور مطمئن و دقیق روی یک رایانه کلاسیک شبیه‌سازی کرد. همچنین، شرکت آی‌بی‌ام برنامه‌هایی در ارتباط با Quantum System Two نسل بعدی سیستم‌های کوانتومی به‌نمایش گذاشت.
واحد محاسباتی اصلی رایانش کوانتومی، مدار کوانتومی، چیدمان کیوبیت‌ها در گیت‌های کوانتومی و اندازه‌گیری‌ها آن‌ها است. هر چه تعداد کیوبیت‌های یک پردازنده کوانتومی بیشتر باشد، مدارهای کوانتومی پیچیده‌تر و ارزشمندتر می‌شوند.
آی‌بی‌ام اخیراً نقشه راهی دقیق برای محاسبات کوانتومی ارائه کرده که از آن جمله مسیری برای مقیاسبندی سخت‌افزار کوانتومی است که به مدارهای کوانتومی پیچیده امکان می‌دهد تا به Quantum Advantage برسند، نقطه‌ای که در آن سیستم‌های کوانتومی می‌توانند به‌طور معناداری بهتر از سیستم‌های کلاسیک خود عمل کنند. ایگل جدیدترین گام در مسیر این مقیاسبندی است.
پیشرفت در سخت‌افزار محاسبات کوانتومی را می‌توان از طریق سه ویژگی مقیاس، کیفیت و سرعت، اندازه‌گیری کرد. مقیاس بر حسب تعداد کیوبیت‌های یک پردازنده کوانتومی اندازه‌گیری میشود و تعیین می‌کند که یک مدار کوانتومی چقدر می‌تواند کار کند. کیفیت از طریق Quantum Volume اندازه‌گیری میشود و چگونگی عملکرد دقیق مدارهای کوانتومی بر روی یک دستگاه کوانتومی واقعی را توصیف می‌کند. سرعت از طریق CLOPS سرنام Circuit Layer Operations Per Second اندازه‌گیری میشود؛ معیاری که آی‌بی‌ام در نوامبر 2021 معرفی کرد و قابلیت اجرای محاسبات واقعی را نشان می‌دهد.
پردازنده ۱۲۷ کیوبیت ایگل
ایگل، اولین پردازنده کوانتومی آی‌بی‌ام است که بیش از ۱۰۰ کیوبیت عملیاتی و متصل دارد. این پردازنده بعد از پردازنده‌های ۶۵ کیوبیتی Hummingbird و پردازنده ۲۷ کیوبیتی Falcon آی‌بی‌ام که به ترتیب در سالهای ۲۰۱۹ و ۲۰۲۰ رونمایی شدند، ساخته شد. برای دستیابی به چنین دستاوردی، محققان آی‌بی‌ام نوآوری‌هایی به‌خرج دادند که از آن جمله باید به بازطراحی چیدمان کیوبیت‌ها برای کاهش خطاها و معماری جدید با هدف کاهش تعداد مولفه‌های غیرضروری در پردازنده‌های کوانتومی اشاره کرد. تکنیک‌های جدید به‌کارگرفته‌شده در ایگل، سیم‌کشی کنترل در سطوح فیزیکی چندگانه در پردازنده را شامل میشود، در حالی‌که کیوبیت‌ها را روی یک لایه نگه می‌دارد تا امکان افزایش قابل توجه کیوبیت‌ها به‌وجود آید.
افزایش تعداد کیوبیت‌ها به کاربران امکان می‌دهد مسائل پیچیده را با رویکردی نوین و بهینه‌شده حل کنند. به‌طوری که انجام آزمایش‌ها و اجرای برنامه‌های علمی، بهینه‌سازی الگوریتم‌ها و آموزش مدل‌های یادگیری ماشین یا مدل‌سازی مولکول‌ها و مواد جدید قابل استفاده در صنعت یا فرآیند کشف داروها ساده‌تر از قبل میشود. ایگل، اولین پردازنده کوانتومی آی‌بی‌ام است که به دلیل مقیاسی که دارد، قادر به انجام شبیه‌سازی‌هایی است که برای کامپیوترهای کلاسیک غیرممکن است. در واقع، کامپیوترهای معمولی برای این‌که بتوانند به‌طور موفقیت‌آمیز قدرت پردازنده ۱۲۷ کیوبیتی را شبیه‌سازی کنند، لازم است تعداد بیت‌های پردازنده‌شان از جمعیت ۷.۵ میلیارد نفری زمین بیشتر باشد.
دکتر داریو گیل، معاون ارشد آی‌بی‌ام و مدیر تحقیقات، می‌گوید: «ورود پردازنده ایگل یک گام بزرگ به سوی روزی است که رایانه‌های کوانتومی بتوانند برای کاربردهای مفید از رایانه‌های کلاسیک بهتر عمل کنند. محاسبات کوانتومی این قدرت را دارند که تقریباً هر صنعتی را متحول کنند و این به ما کمک کند با بزرگ‌ترین مشکلات زمان خود مقابله کنیم. به‌همین دلیل است که آی‌بی‌ام به‌سرعت به نوآوری در طراحی سخت‌افزار و نرم‌افزار کوانتومی ادامه می‌دهد و به‌دنبال راه‌هایی است تا با توانمندسازی حجم‌های کاری کوانتومی و کلاسیک یک اکوسیستم جهانی که برای رشد صنعت کوانتومی ضروری است، ایجاد کند.»
IBM Quantum System Two
در سال ۲۰۱۹، شرکت آی‌بی‌ام از IBM Quantum System One اولین سیستم محاسباتی کوانتومی یکپارچه جهان، رونمایی کرد. از آن‌جایی که آی‌بی‌ام به افزایش مقیاس پردازنده‌های خود ادامه می‌دهد، انتظار می‌رود به‌فکر طراحی معماری فراتر از زیرساخت‌های IBM Quantum System One باشند. Quantum System Two که مفهومی برای آینده سیستم‌های محاسباتی کوانتومی است برای کار با پردازنده‌های ۴۳۳ کیوبیتی و ۱۱۲۱ کیوبیتی طراحی شده است.
طراحی IBM Quantum System Two از نسل جدیدی از کنترل کیوبیت مقیاس‌پذیر همراه با قطعات برودتی با چگالی بالاتر و کابل‌کشی خاص استفاده می‌کند. علاوه بر این، IBM Quantum System Two یک پلتفرم برودتی جدید معرفی می‌کند که در ارتباط با Bluefors طراحی شده که دارای یک طراحی ساختاری بدیع و نوآورانه برای به‌حداکثر رساندن فضا برای پشتیبانی از سخت‌افزار مورد نیاز از سوی پردازنده‌های بزرگ‌تر است و در عین حال اطمینان می‌دهد که مهندسان می‌توانند به‌راحتی به سخت‌افزارها دسترسی داشته باشند و از آن‌ها نگه‌داری کنند.
