توسط لیزا ادیکیکو
مجتمع Albany NanoTech که ویفرهای کوانتومی IBM در آن تولید میشوند.
ساخت داروهای انقلابی، آزمایش مواد جدید برای خودروها و شبیهسازی تأثیر سناریوهای بازار بر بانکها — اینها تنها برخی از کارهایی هستند که حتی با پیشرفتهترین کامپیوترها ممکن است ماهها یا سالها زمان ببرد تا تکمیل شوند.
اما چه میشود اگر این بازه زمانی به دقیقهها یا ساعتها کاهش یابد؟
این همان وعدهٔ پشت محاسبهٔ کوانتومی است؛ حوزهای که دههها مورد مطالعه قرار گرفته و علاقه — و سرمایهگذاری — روزافزونی از سوی غولهای فناوری و استارت‑آپها به خود جلب کرده است.
در روز چهارشنبه، IBM پردازندهٔ آزمایشی جدید Loon و تراشهٔ محاسبهٔ کوانتومی Nighthawk را رونمایی کرد که میتواند محاسبات پیچیدهتری نسبت به نسل قبلی خود انجام دهد. در دو سال گذشته، اطلاعیههای مرتبط با کوانتوم از گوگل، مایکروسافت و سایر شرکتهای فناوری منتشر شدهاند.
بر اساس گزارش McKinsey & Company، محاسبهٔ کوانتومی میتواند تا سال 2035 به افزایش ارزش حدود 1.3 تریلیون دلار در برخی صنایع منجر شود و این دلایل محکمی دارد. کارشناسان بر این باورند که محاسبهٔ کوانتومی میتواند به پیشرفتهای چشمگیری در زمینههایی مانند رمزنگاری، مالی، علم و حملونقل دست یابد و IBM میگوید این فناوری میتواند مسائلی را در عرض چند دقیقه یا ساعت حل کند که بهطور معمول برای رایانههای استاندارد غیرکوانتومی هزاران سال زمان میبرد.
اما مسیر طولانی در پیش است. حل مشکل محاسبهٔ کوانتومی بهسادهای ارتقاء رایانههای فعلی نیست؛ این رویکرد کاملاً متفاوتی به محاسبه است که بر پایه اصول فیزیک کوانتومی استوار است.
«یک جتجنگی به دلیل داشتن بالها، فراریٔ سریعتری نیست»، گفت اسریدار تایور، استاد در دانشکدهٔ تجارت Tepper دانشگاه کارنگی ملون. «محاسبهٔ کوانتومی فقط یک رایانهٔ کلاسیک سریعتر نیست؛ زیرا بر پایهٔ اصول متفاوتی عمل میکند.»
چرا کامپیوترهای کوانتومی متفاوت هستند؟
کامپیوترها اطلاعات را با استفاده از زبانی متشکل از صفر و یک، که به آن «بیت» نیز میگویند، ذخیره و پردازش میکنند. اما محاسبهٔ کوانتومی از «بیتهای کوانتومی» یا «کوبیت» استفاده میکند. بهجای اینکه فقط صفر یا یک باشد، کوبیتها میتوانند همزمان صفر و یک باشند و در حالتهای میانی بین صفر و یک قرار گیرند، که این امکان را به آنها میدهد اطلاعات را بسیار سریعتر پردازش کنند.
تصور کنید آن را همانند سکهای که میچرخد، همانطور که آنا استوارت از CNN توضیح داد. بیتها شبیه سکهای هستند که هنگام سقوط روی سمت شیر یا پوکه میافتد، در حالی که کوبیتها شبیه سکهای هستند که در حین چرخش بین شیر و پوکه قرار دارد، یا میتوان گفت سکه میتواند همزمان هر دو حالت را نشان دهد.
هارتموت نوون از Google Quantum AI (سمت چپ) و انتونی مِگرنت، در حال بررسی یک یخچال کریوستات برای خنکسازی تراشههای محاسبهٔ کوانتومی در آزمایشگاه Quantum AI گوگل در سانتا باربارا، کالیفرنیا، در ۲۵ نوامبر ۲۰۲۴.
اما انتظار نداریم که کامپیوترهای کوانتومی جایگزین لپتاپ یا گوشی هوشمند شما شوند. در عوض، این نوع کامپیوترها برای حل مسائل کلی و بزرگ مقیاس در زمینههای شیمی و ریاضیات ایدهآل هستند و توانایی دارند که در حوزههایی مانند بهداشت، مطالعات محیطزیست، مالی، علم مواد و رمزنگاری تحولآفرین باشند.
بهعنوان مثال، گروه BMW و ایروسبی برای همکاری با استارتاپ محاسبهٔ کوانتومی Quantinuum بهمنظور بررسی نحوه استفاده از این فناوری در توسعهٔ سلولهای سوختی کار میکنند. در همین حال، آزمایشگاههای Accenture، شرکت بیوتکنولوژی Biogen و شرکت محاسبهٔ کوانتومی 1QBit در تحقیقاتی مرتبط با کشف دارو همکاری دارند. Accenture در وبسایت خود اعلام کرد که کامپیوترهای کوانتومی میتوانند مولکولهای بزرگتری را نسبت به آنچه رایانههای کلاسیک قادر به محاسبهاند، مقایسه کنند.
«امید بزرگ این است که یک کامپیوتر کوانتومی بتواند هر نوع آزمایش شیمیایی یا زیستشناختی که در آزمایشگاه انجام میدهید را شبیهسازی کند»، گفت آناند ناتاراجان، استادیار مهندسی برق و علوم کامپیوتر در MIT.
محاسبهٔ کوانتومی میتواند در زمینهٔ رمزنگاری و امنیت سایبری تأثیر عظیمی داشته باشد، چرا که میتوان از آن برای شکستن کدهای محافظتکنندهٔ دادهها استفاده کرد، ناتاراجان گفت.
«به همین دلیل این نیز یک انگیزهٔ مهم است؛ اطمینان یافتن که دشمنان ما نمیتوانند این کار را انجام دهند و ما این قابلیت را در اختیار داشته باشیم»، او گفت.
Wall Street Journal در ماه اکتبر گزارش داد که تعدادی از شرکتهای محاسبهٔ کوانتومی در حال بحث دربارهٔ قراردادهای احتمالی با وزارت تجارت هستند که بهازای دریافت سرمایهگذاری فدرالی، سهمی از شرکتها به دولت تعلق میگیرد.
هنگام درخواست اظهار نظر، سخنگوی وزارت تجارت به CNN گفت که «در حال حاضر با شرکتهای محاسبهٔ کوانتومی در خصوص اخذ سهم مالکیتی مذاکره نمیکند».
مسابقه برای حل محاسبهٔ کوانتومی
اما صنعت با موجی از چالشها مواجه است که باید پیش از اینکه محاسبهٔ کوانتومی بتواند مشکلات مدرن را حل کند، برطرف شوند. برای مثال، کوبیتها بهشدت حساس هستند و بهراحتی تحت تأثیر عوامل خارجی نظیر تغییر دما یا نور قرار میگیرند.
پردازندهٔ آزمایشی جدید Loon شرکت IBM سعی دارد این مانع را از بین ببرد و نشان دهد که اجزای لازم برای ساخت یک کامپیوتر کوانتومی با تحمل خطا در مقیاس بزرگ موجود است، بهطوری که حتی در حضور خطاها هم بهصورت مؤثر عمل کند. این گامی مهم است زیرا خطاها بهدلیل حساسیت بالای کوبیتها به تداخلها اجتنابناپذیرند.
«اگر فقط یک میز را تکان دهم، کامپیوترهای کوانتومی ما را نابود میکنم. اگر کمی نور به داخل آنها برسد، میتواند آسیب بزند»، گفت جی گامبِتا، مدیر تحقیقاتی IBM.
یک پژوهشگر IBM یک ویفر، یا لایهٔ سیلیکونی که برای ساخت پردازندهها و تراشهها استفاده میشود، برای پردازندهٔ آزمایشی Loon شرکت نگه داشته است.
بهطور موازی، تراشهٔ جدید Nighthawk شرکت IBM میتواند «گیتهای» پیچیدهتری را اجرا کند، بهگفته گامبِتا. گیتها «بلوکهای سازندهای» هستند که کامپیوترهای کوانتومی برای پردازش اطلاعات به کار میبرند، همانطور که مؤسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) توصیف میکند.
IBM تنها یکی از رقبای این مسابقهٔ محاسبهٔ کوانتومی است. در ماه فوریه، مایکروسافت تراشهٔ Majorana 1 خود را معرفی کرد. این تراشه حاوی مادهای ویژه است که شرکت ادعا میکند میتواند حالت جدیدی از ماده ایجاد کند که توانایی تولید کوبیتهای ثابتتری را دارد. گوگل در ماه دسامبر تراشهٔ کوانتومی Willow خود را رونمایی کرد که میگوید با افزایش تعداد کوبیتها، خطاها را کاهش میدهد و میتواند در پنج دقیقه کاری را انجام دهد که برای کامپیوتر کلاسیک ۱۰ سپتنسال زمان میبرد.
هنوز راهی در پیش است
قضاوت نهایی دربارهٔ زمان دقیق تحقق پتانسیل محاسبهٔ کوانتومی هنوز معلق است.
ناتاراجان معتقد است که هنوز ده تا دو دهه زمان مانده است. McKinsey گزارش داد که ۷۲٪ از مدیران فناوری، سرمایهگذاران و پژوهشگرانی که با آنها گفتگو کرده است، بر این باورند که یک کامپیوتر کوانتومی کاملاً مقاوم در برابر خطا میتواند تا سال ۲۰۳۵ ظاهر شود. IBM پیشبینی میکند که تا پایان این دهه به محاسبهٔ کوانتومی مقاوم در برابر خطا دست یابد.
اما هنگامی که این امر رخ دهد، مزایا میتوانند فوقالعاده باشند.
«در حال حاضر، بهنوعی … سعی میکنیم جراحی مغز را با قاشق و چنگال انجام دهیم. اما در ایدهآل، برای جراحی مغز نیاز به ابزارهای بسیار دقیقتری داریم»، گفت تایور از کارنگی ملون. «و آن ابزارهای بسیار دقیقتر یکی از وعدههای کامپیوتر کوانتومی است.»
الیزابیت بوچوالد از CNN در تهیهٔ این گزارش مشارکت داشت.