کامپیوترهای کوانتمی جدید گوگل

کامپیوترهای کوانتمی با کارایی بهتر نسبت به کامپیوترهای معمولی
 

نویسنده: چارلز کیو چوی
مترجم: حبیب الله علیخانی

کامپیوترهای کوانتمی جدید گوگل

امروزه محققین گوگل و همکاران آنها ماشینی را توسعه داده اند که دو روش اصلی محاسبه ی کوانتمی ترکیب شده است. این کار موجب می شود تا به محققین برای ایجاد کامپیوترهای کوانتمی با کارایی بهتر نسبت به کامپیوترهای معمولی، کمک کند.

در حالی که کامپیوترهای دیجیتال بیان کننده ی داده ها به صورت صفر و یک می باشند (یعنی سیستم دو دویی) و در آنها ترانزیستورها حالت روشن و خاموش دارند، کامپیوترهای کوانتمی از بیت های کوانتمی و یا کیوبیت هایی استفاده می کنند که در یک زمان می توانند حالت روشن و خاموش داشته باشند. این مسئله موجب می شود تا این بخش ها قابلیت انجام دو محاسبه را در یک زمان داشته باشند. تعداد محاسبات در کامپیوترهای کوانتمی می تواند به صورت اکسپوننسیالی با تعداد کیوبیت ها مرتبط باشد. در واقع دو کیوبیت اجازه ی انجام 4 محاسبه ی همزمان را مقدور می سازد، سه کیوبیت امکان انجام 8 محاسبه و 4 کیوبیت اجازه ی انجام 16 محاسبه را فراهم می آورد.

کامپیوترهای کوانتمی بر این مورد پایه گذاری شده اند که جهان چگونه حالت فازی می شود و در سطوح بسیار کوچک خود، به واقعیت می رسد. فیزیک کوانتم، در حقیقت بهترین توصیف را برای تمام ذرات ارائه کرده است و پیشنهاد می دهد که اتم ها و سایر بلوک های ساختاری جهان قادرند در یک زمان در دو یا چند مکان وجود داشته باشند. در واقع چرخش آنها در جهت مخالف نیز در یک زمان بر روی رفتار آنها مؤثر است. این مسئله بیان کننده ی حالات متناقض شکننده است که ابر موقعیت (superpositions) نامیده می شود.

تحقیقات قبلی این مسئله را نشان داده است که یک کامپیوتر کوانتمی با 300 کیوبیت می تواند در یک زمان بیش از تعداد تمام اتم های موجود در جهان، محاسبه انجام دهد. این پیشنهاد می دهد که کامپیوترهای کوانتمی ممکن است قادر به حل مسائل غیر قابل حل کلاستیک باشند. برای حل این مسائل، نیازمند هزاران کامپیوتر و صرف زمانی برابر میلیون ها سال هستیم.
کامپیوترهای کوانتمی بر این مورد پایه گذاری شده اند که جهان چگونه حالت فازی می شود و در سطوح بسیار کوچک خود، به واقعیت می رسد. فیزیک کوانتم، در حقیقت بهترین توصیف را برای تمام ذرات ارائه کرده است و پیشنهاد می دهد که اتم ها و سایر بلوک های ساختاری جهان قادرند در یک زمان در دو یا چند مکان وجود داشته باشند. در واقع چرخش آنها در جهت مخالف نیز در یک زمان بر روی رفتار آنها مؤثر است. این مسئله بیان کننده ی حالات متناقض شکننده است که ابر موقعیت (superpositions) نامیده می شود.
هم اکنون دو روش اصلی برای محاسبه ی کوانتمی وجود دارد. کامپیوترهای کوانتمی استاندارد از رویه ای پیروی می کنند که مدل گیت نامیده می شود. این مدل موجب ایجاد ارتباط میان کیوبیت ها و مدارهای ساده ای می شود که به آنها گیت های کوانتمی منطقی گفته می شود. هر کدام از این گیت ها می توانند عملیات های اساسی انجام دهند. برای انجام یک محاسبه، می توان هر کیوبیت را به یک بخش تنظیمی معین مرتبط کرد تا بدین صورت المان های یک مسئله را رمز گذاری کرد. توان رمزگذاری این بخش ها از کامپیوترهای دیجیتال بیشتر است. سپس می توان این کیوبیت ها را مرحله به مرحله با یک توالی از گیت های منطقی کوانتمی دستکاری کرد و سپس سیستم را برای گرفتن پاسخ، بررسی کرد.

در عوض، کامپیوترهای کوانتمی که به صورت تجاری موجود می باشند، از استراتژی استفاده می کنند که به آن محاسبه ی کوانتمی آدیاباتیک می گویند. در این روش، با خاموش کردن یک سری از کیوبیت های غیر واکنشی شروع می شود که در واقع دارای پایین ترین میزان ار انرژی می باشد. این کیوبیت ها، کیوبیت های حالت پایه نامیده می شوند. سپس این سیستم را به داخل یک گروه از کیوبیت ها مورد ارزیابی قرار می دهیم که در واقع شامل برهمکنش هایی با حالت پایدار هستند. این موارد بیان کننده ی پاسخ صحیح مربوط به مسائل خاصی است که محققین برای حل آن، رمزگذاری کرده اند.

مقبولیت محاسبه ی کوانتمی آدیاباتیک، نه تنها به دلیل سادگی، بلکه همچنین به دلیل سهولت استفاده می باشد. کامپیوترهای کوانتمی استاندارد از الگوریتم هایی استفاده می کنند که بوسیله ی آنها مسائل بسیار خاص حل می شود مانند رمزگذاری شکافتی (cracking encryption)، در حالی که کامپیوترهای کوانتمی آدیاباتیک می توانند به صورت تئوری هر نوع مسئله را حل کنند. این مسئله را یک فیزیکدان در شرکت گوگل به نام رامی بارندز (Rami Barends)، بیان کرده است. تحقیقات قبلی پیشنهاد می دهد که کامپیوترهای کوانتمی آدیاباتیک به صورت خاص، برای مسائل بهینه سازی خوب هستند و می توانند بهترین راه حل ها را از بین تمام راه حل های ممکنه بدست آورند. این در حالی است که کامپیوترهای کوانتمی دیگر، برای تجزیه و تحلیل خوب است.

به هر حال، کامپیوترهای کوانتمی آدیاباتیک مباحث بحث انگیزی ایجاد کرده اند. برخی از محققین استدلال کرده اند که این کامپیوترها ممکن است در حل مسائل پیچیده ی کلاسیک بهتر عمل کنند. به همین دلیل، کامپیوترهای کوانتمی آدیاباتیک با یک چنین چالش هایی پیش روست. در واقع آنها به برهمکنش میان کیوبیت ها وابسته می باشند.
بارندز می گوید: "ایجاد ارتباط میان یک کیوبیت با کیوبیت دیگر در حقیقت چالش آفرین است".
 

بیشتر بخوانید: همه چیز در مورد کامپیوتر (رایانه)

در عوض، در کامپیوترهای کوانتمی استاندارد، می توان هر نوع برهمکنشی میان دو کیوبیت مورد نظر و یا گروهی از کیوبیت ها، ایجاد کرد. علاوه براین، کامپیوترهای کوانتمی آدیاباتیک مستعد ایجاد اغتشاش در بخشی هستند که کیوبیت ها در آن کار می کنند. این در حالی است که روش های تصحیح خطا می تواند کامپیوترهای کوانتمی استاندارد را از این مشکل، برهاند.
در پروژه ای که به رهبری شرکت گوگل در حال انجام می باشد، مزیت های هر دوی این اشکال از محاسبات کوانتمی با استفاده از یک کامپیوتر کوانتمی استاندارد به همراه یک کامپیوتر کوانتمی آدیاباتیک، ایجاد شده است. امید است تا ورژن های با مقیاس بزرگتر از این ماشین ها روزی برای حل مسائل مربوط به پیچیدگی طبیعت، مورد استفاده قرار گیرد.

دانیل لیدار (Daniel Lidar)، سرپرست مرکز علوم اطلاعات کوانتمی در لس آنجلس می گوید: "چیزی که در اصل مورد استفاده قرار گرفته است، یک دهه است که شناخته شده بوده است اما کسی نتوانسته بود آن را به صورت تجربی نمایش دهد".
ماشین جدید شامل 9 کیوبیت تا 1000 گیت منطقی کوانتمی است. هر کیوبیت شامل یک ساختار عرضی ابر رساناست که از فیلم های آلومینیوم رسوب داده شده بر روی سافایر تولید می شوند. 9 کیوبیت همگی در یک ستون قرار دارند و هر کیوبیت یک فرکانس مشخص را منتشر می کنند. با تنظیم فرکانس کیوبیت ها، برهمکنش بین کیوبیت ها تعیین می شود.

برای شبیه سازی محاسبه ی کوانتمی آدیاباتیک، بارندز و همکارانش سیستمی را مورد استفاده قرار دادند که از مراحل زمانی بسیار کوچک تشکیل می شود. در عمل، شبیه سازی ها می تواند نوع برهمکنش میان کیوبیت های مورد نیاز برای حل مسائل پیچیده ی کلاسیک را تکمیل کند.
ویلیام اولیور (William Oliver)، فیزیکدان تجربی و مهندس برق در انستیتوی فنی ماساچوست، می گوید: "این کار نشاندهنده ی بلوک های ساختاری کلیدی در تولید نمونه ی آزمایشی از کامپیوترهای کوانتمی آدیاباتیکی در سیستم های کیوبیتی ابر رساناست".

لیدار به این مسئله اشاره کرده است که "وسایل کوچک مقیاس با تعداد 40 کیوبیت در حقیقت برای یادگیری منابع بروز خطا در این سیستم ها، مناسب می باشند".
او می گوید: "به هر حال، در دو سال اخیر، این مسئله مقدور شده است تا از وسایلی استفاده کرد که دارای بیش از 40 کیوبیت می باشند".
 

منبع
https://www.insidescience.org
استفاده از مطالب این مقاله با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.