آیا ادعای ساخت سریع ترین کامپیوتر کوانتومی دنیا صحت دارد؟

ماه گذشته کمپانی «لاکهید مارتین» اقدام به ارتقاء «مرکز محاسبات کوانتومی» واقع در «مؤسسه علوم اطلاعاتی» دانشگاه کالیفرنیای جنوبی نمود، و ظرفیت آن را به 1098 کیوبیت افزایش داد.

این اقدام، در راستای پروژه ای انجام می گیرد که کمپانی بین المللی امنیتی و هوافضای مورد بحث برای حضور در حوزه جذاب و رو به رشد پردازش کوانتومی در پیش گرفته است.

پیش بینی می شود طی 20 سال آینده، فناوری فوق تأثیر شگرفی بر پروژه های تحقیقاتی دانشگاهی و امنیت سایبری داشته باشد، اما «لاکهید مارتین» معتقد است برخی از مزایای پردازش کوانتومی را همین حالا نیز می توان به کار گرفت، هرچند هنوز با ساخت کامپیوتر کوانتومی کامل بسیار فاصله داریم.

جهش کوانتومی

اولین سیستم کوانتومی که «لاکهید مارتین» از کمپانی D-Wave خرید، پردازشگر 128 کیوبیتی با نام رمز «Rainier» بود که با اسم «D-Wave One» شناخته می شد. بعدها این سیستم به «Vesuvius» با ظرفیت 512 کیوبیت ارتقاء یافت، و در جدیدترین گام نیز «D-Wave 2X» با ظرفیت 1152 کیوبیت معرفی شد.

«گرگ تالانت» رئیس مرکز محاسبات کوانتومی (QCC) این کمپانی می گوید:

این سیستم هم اکنون قابل خرید و استفاده است، اما در واقع بیشتر حالت تحقیق و توسعه و آزمایشی دارد. در واقع هنوز نمی توان این دستگاه را تهیه کرده و مانند کامپیوترهای معمولی از آن استفاده نمود.

نمایندگان «لاکهید مارتین» پیش از خرید D-Wave چندین بار آن را در ونکوور از نزدیک مشاهده کردند. آنها نهایتاً به این نتیجه رسیدند که سخت افزار فوق پتانسیل بالایی داشته و در نتیجه آن را خریدند. گام بعدی در این پروژه، همکاری با دانشگاه کالیفرنیای جنوبی (USC) بود.

در نتیجه این مشارکت، مرکز محاسبات کوانتومی در دانشگاه مورد بحث تأسیس شد که اکنون بخشی از «دانشکده مهندسی ویتربی» به شمار می رود.

طی این همکاری، دانشگاه USC به خاطر فضایی که به سیستم D-Wave اختصاص داده، می تواند تحقیقاتش را با استفاده از این سخت افزار انجام دهد، ضمن اینکه بنچمارک مجموعه نیز بر عهده آنهاست. کمپانی «لاکهید مارتین» نیز می تواند اطلاعات عملیاتی را دریافت کرده و کاربردهای مورد علاقه اش را در سیستم فوق آزمایش نماید.

یکی از اهداف اصلی پروژه فوق اعتبارسنجی و تصدیق بوده، اما اکنون حوزه های مختلفی را تحت پوشش قرار می دهد. آنها در حال حاضر، یادگیری ماشینی را اولویت اول خود قرار داده اند، ضمن اینکه حوزه طرح ریزی و زمان بندی نیز اگرچه کاربرد جذابی برای این فناوری پیشرفته به شمار نمی رود، اما نتایج عملیاتی خوبی در پی خواهد داشت.

«تالانت» در این رابطه می گوید:

زمانی که تعداد متغیرهای مسئله افزایش یابند، تعداد احتمالات ممکن برای حل مسئله به صورت نمایی رشد خواهد کرد. یکی از مسائلی که در محافل دانشگاهی در این رابطه شناخته شده «مسئله فروشنده دوره گرد» است.

در مسئله فروشنده دوره گرد، با دست فروشی روبرو هستیم که می خواهد چندین شهر را با فواصل مشخص بپیماید. جواب این مسئله، کوتاه ترین مسیر ممکن برای فروشنده است، با شرط اینکه فقط یک بار از تمامی شهرها عبور کرده و به نقطه آغاز بازگردد.

اگرچه این مسئله را می توان با استفاده از کامپیوترهای کنونی حل نمود، اما با افزایش تعداد شهرها زمان حل مسئله بسیار افزایش می یابد. اینجاست که سخت افزار کوانتومی به کمک ما آمده و می تواند زمان اجرا را تا حدی باورنکردنی کاهش دهد.

البته «تالانت» و تیمش هنوز نتوانسته اند کاربرد D-Wave برای حل این مسائل و برتری آن نسبت به کامپیوترهای معمولی را نمایش دهند، اما پیشرفت هایی در این حوزه ایجاد شده و انتظار می رود با خرید پردازنده 1152 کیوبیتی جدید، گام های بیشتری در این مسیر برداشته شود.

پیشگام در عرصه رایانش کوانتومی

«تالانت» می گوید:

مشکلاتی نیز وجود دارد. مثلاً پردازشگر جدید ما 1152 کیوبیتی است، اما زمانی که آن را روی سیستم نصب کنیم، باید عملیات کالیبراسیون را انجام دهیم. در این فرایند برخی از کیوبیت ها به خوبی عمل نمی کنند و بنابراین از نظر محاسباتی قابل استفاده نخواهند بود.

در واقع، این وضعیت شبیه به حالتی است که شما یک موبایل با 32 گیگابایت حافظه داخلی می خرید، اما می بینید مقدار کمتری فضای ذخیره سازی در اختیارتان قرار دارد؛ البته قضیه کمی پیچیده تر از این است.

رئیس QCC ادامه داد: «پس از انجام آزمایشات کالیبراسیون، مشخص شد سیستم 1152 کیوبیتی ما با ظرفیت 1098 کیوبیت عمل می کند.»

گفتنی است چندین مورد بهینه سازی های مهندسی دیگر نیز در دستگاه ایجاد شده، اما ارتقاء تعداد کیوبیت سخت افزاری می تواند پیشرفت های ملموسی را از نظر تعداد و تنوع مسائل قابل حل با آن ایجاد نماید.

«تالانت» در این رابطه توضیح داد:

تعداد کیوبیت ها را تقریباً می توان معادل با اندازه مسئله در نظر گرفت. مثلاً زمانی که 512 کیوبیت در اختیار دارید، مسائلی با حداکثر 512 متغیر را می توانید حل کنید، البته این بهترین حالت است و در عمل تقریباً به 200 متغیر محدود خواهید شد.

شاید با مشاهده این ارقام کمی نسبت به حوزه پردازش کوانتومی دلسرد شده باشید. همان طور که می دانید چندی قبل کمپانی IBM با افتخار از کامپیوتر کوانتومی 5 کیوبیتی برای مصارف دانشگاهی رونمایی کرد که از طریق پلتفرم Experience شرکت فوق در دسترس محققین قرار دارد.

حال، این سؤال پیش می آید که اگر D-Wave پردازنده های کوانتومی با ظرفیت صدها کیوبیت را به فروش می رساند، پس IBM با چه امیدی روی سیستم 5 کیوبیتی مانور تبلیغاتی می دهد؟

پاسخ به این سؤال ساده است: سخت افزار مورد استفاده توسط «لاکهید مارتین» در واقع یک کامپیوتر کوانتومی نیست.

مفاهیمی متفاوت

سیستم هایی که در قلب برنامه کوانتومی IBM و «لاکهید مارتین» جای گرفته اند، در واقع از کیوبیت های ابررسانا استفاده می کنند. محققین امیدوارند با استفاده از این سیستم سرانجام بتوانند کامپیوترهای کوانتومی همه منظوره بسازند، اما هنوز با آن فاصله زیادی دارند.

سخت افزار IBM یک رایانه کوانتومی همه منظوره یا عمومی به حساب نمی آید، زیرا قادر نیست تمامی محاسبات مورد نیاز در کامپیوترهای عمومی را انجام دهد، محاسباتی که طبق تعریف باید در یک رایانه کوانتومی واقعی قابل اجرا باشند.

در عین حال D-Wave نیز ابداً در تعریف فوق جای نمی گیرد و در واقع می توان آن را یک «آنیلر کوانتومی» دانست، که صرفاً برای حل مجموعه ای محدود از مسائل طراحی شده. گفتنی است سیستم های «آنیلر» با استفاده از روش های فراابتکاری می توانند مینیمم سراسری تابع هدف مسئله را بیابند.

«تالانت» برای توضیح این مسئله می گوید: «سیستم D-Wave یک کامپیوتر همه منظوره نیست، و فقط قادر است مسائل خاصی را حل کند که به Ising Spin Glass معروفند». او مجموعه مورد بحث را یک «حل کننده بهینه ساز» می نامد، که برای بهینه سازی مصرف منابع در مسائل مختلف استفاده شده و می تواند کارآمدترین راه حل را از طریق بررسی احتمالات بسیار زیاد به دست آورد.

رئیس مرکز محاسبات کوانتومی ادامه داد:

آنیلینگ کوانتومی را می توان اینگونه تصور کرد: ابتدا مسئله ای که پاسخ آن را در اختیار داریم به سیستم وارد می کنیم. سپس مسئله ای که جوابش ناشناخته است را نیز برای دستگاه توضیح می دهیم. در نهایت با ترکیب این دو، و با رعایت تمامی قوانین بنیادین فیزیک، پاسخ مسئله مجهول را به دست خواهیم آورد.

در واقع، با این روش می توان عملیاتی شناخته شده و آشنا را به مسائل ناشناخته تعمیم داد، و جواب این مسائل لاینحل را به دست آورد، هرچند دقیقاً نمی دانیم این جواب چگونه به دست می آید.

ناقص اما کاربردی

اگرچه تعداد کیوبیت های D-Wave در مقایسه با دیگر رقبای حوزه پردازش کوانتومی بسیار بیشتر است، اما نمی توان مقایسه دقیقی بین سخت افزار مورد استفاده توسط «لاکهید مارتین» و تلاش های دیگر محققین در زمینه ساخت سیستمی همه منظوره انجام داد.

در همین زمینه «تالانت» می گوید: «قطعاً سخت افزار ما یک کامپیوتر کوانتومی واقعی به شمار نمی آید. D-Wave همه کاره نیست؛ زیرا ارتباطات لازم برای اجرای تمامی کدهای مورد نیاز را در اختیار ندارد.»

البته تمام صحبت های فوق بدین معنا نیست که «لاکهید مارتین» نمی خواهد فراتر از «آنیلینگ» قدم بردارد و قطعاً با پیشرفت فناوری های موجود، می توان به ساخت سیستمی عمومی و همه منظوره امیدوار بود.

استفاده از D-Wave به عنوان «آنیلر» توسط این کمپانی، پتانسیل بالای حوزه پردازش کوانتومی را طی سال های آتی در زمینه های مختلف علوم به همگان نشان می دهد. هرچند هدف نهایی محققین دستیابی به کامپیوتری یونیورسال است، اما در طول مسیر نیز می توان کاربردهای مختلفی را ارائه کرد.

در حقیقت، رایانه کوانتومی را می توان کشفی خارق العاده نام نهاد که هنوز تحقق نیافته. این سیستم جهانی و عمومی قادر است تأثیر شگرفی بر نحوه انجام محاسبات و حل مسائل لاینحل کنونی در آینده داشته باشد، اما تا آن زمان می شود از رایانه هایی شبیه به D-Wave برای کاربردهای خاص بهره گرفت.