عصر محاسبات کوانتومی فرا رسیده است

فرارو- در ماه ژوئن یکی از مدیران محاسباتی شرکت IBM ادعا کرد که رایانه‌های کوانتومی وارد فاز کاربردی می‌شوند فازی که در آن دستگاه‌های آزمایشی با فناوری پیشرفته مفید خواهند شد. "کتی فولی" دانشمند ارشد استرالیایی در ماه سپتامبر تا آنجا پیش رفت که "طلوع عصر کوانتومی" را اعلام کرد. "میشل سیمونز" فیزیکدان استرالیایی در هفته جاری توانست برنده جایزه برتر علمی کشورش برای کار در زمینه توسعه رایانه‌های کوانتومی مبتنی بر سیلیکون شود. بدیهی است که لحظه‌ شکوفایی برای رایانه‌های کوانتومی فرارسیده است.

به گزارش فرارو به نقل از کانورسیشن، با این وجود، اگر قدری به عقب بازگردیم باید بپرسیم رایانه‌های کوانتومی دقیقا چه هستند؟ یکی از راه‌های فکر کردن به رایانه‌ها نوع اعدادی است که با آن کار می‌کنند. رایانه‌های دیجیتالی که ما هر روز استفاده می‌کنیم به اعداد کامل (یا اعداد صحیح) متکی هستند که اطلاعات را به صورت رشته‌هایی از صفر و یک نشان می‌دهند که طبق قوانین پیچیده آن‌ها را بازآرایی می‌کنند. رایانه‌های آنالوگ نیز وجود دارند که اطلاعات را به صورت اعداد متغیر (یا اعداد واقعی) نشان می‌دهند که از طریق مدار‌های الکتریکی یا روتور (چرخانه)‌های در حال چرخش یا سیالات متحرک دستکاری می‌شوند.

"جرلامو کاردانو" ریاضیدان ایتالیایی در قرن شانزدهم میلادی نوع دیگری از اعداد به نام اعداد مختلط را برای حل کار‌های به ظاهر غیر ممکن مانند یافتن جذر یک عدد منفی اختراع کرد. در قرن بیستم با ظهور فیزیک کوانتومی معلوم شد که اعداد مختلط نیز به طور طبیعی جزئیات دقیق نور و ماده را توصیف می‌کنند.

در دهه ۱۹۹۰ میلادی فیزیک و علوم رایانه زمانی با هم برخورد کردند که مشخص شد برخی از مسائل را می‌توان با الگوریتم‌هایی که به طور مستقیم با اعداد مختلط که در فیزیک کوانتوم کدگذاری شده سریع‌تر حل کرد. قدم منطقی بعدی ساخت دستگاه‌هایی بود که با نور و ماده کار می‌کنند تا این محاسبات را به صورت خودکار برای ما انجام دهند. این تولد محاسبات کوانتومی بود. تمام کار‌هایی که رایانه‌های مان برای مان انجام می‌دهند از ارسال ویدئوی زنده گفته تا برنامه سفر در نهایت مسائل محاسباتی هستند که به زبان ریاضی بیان می‌شوند.

از آنجایی که محاسبات کوانتومی هنوز یک حوزه نوپا است بیش‌تر مسائلی که می‌دانیم رایانه‌های کوانتومی حل خواهند کرد در ریاضیات انتزاعی بیان می‌شوند. برخی از این موارد کاربرد‌هایی در دنیای واقعی خواهند داشت که هنوز نمی‌توانیم آن‌ها را پیش بینی کنیم، اما برخی دیگر تاثیر فوری تری خواهند داشت. یکی از کاربرد‌های اولیه رمزنگاری خواهد بود.

رایانه‌های کوانتومی قادر خواهند بود الگوریتم‌های رمزگذاری اینترنت امروزی را شکست دهند. بنابراین، ما به فناوری رمزنگاری مقاوم در برابر کوانتومی نیاز خواهیم داشت. رمزنگاری ایمن و اینترنت کاملا کوانتومی از فناوری محاسبات کوانتومی استفاده می‌کنند. در علم مواد رایانه‌های کوانتومی قادر خواهند بود ساختار‌های مولکولی را در مقیاس اتمی شبیه سازی کنند و کشف مواد جدید و جالب را سریع‌تر و آسان‌تر سازند و ممکن است کاربرد‌های قابل توجهی در باتری ها، داروها، کود‌ها و سایر حوزه‌های مبتنی بر شیمی داشته باشد.

رایانه‌های کوانتومی هم چنین بسیاری از مسائل دشوار بهینه سازی را سرعت می‌بخشند جایی که ما می‌خواهیم بهترین راه را برای انجام کاری پیدا کنیم. این امر به ما این امکان را می‌دهد که با مشکلات در مقیاس بزرگ‌تر در زمینه‌هایی مانند لجستیک، مالی و پیش بینی آب و هوا مقابله کنیم. یادگیری ماشینی حوزه دیگری است که رایانه‌های کوانتومی ممکن است پیشرفت را تسریع کنند. این امر می‌تواند به طور غیرمستقیم با افزایش سرعت برنامه‌ها در رایانه‌های دیجیتال یا به طور مستقیم اگر رایانه‌های کوانتومی را بتوان دوباره به عنوان ماشین‌های یادگیری تصور کرد رخ دهد. در سال ۲۰۲۳ میلادی محاسبات کوانتومی از آزمایشگاه‌های زیرزمینی گروه‌های فیزیک دانشگاه خارج شده و به تاسیسات تحقیق و توسعه صنعتی می‌رود. این حرکت توسط دسته چک شرکت‌های چند ملیتی و سرمایه گذاران ریسک پذیر حمایت می‌شود.

نمونه‌های اولیه محاسبات کوانتومی معاصر ساخته شده توسط IBM، Google، IonQ، Rigetti و شرکت‌های دیگر هنوز تا حدی با کمال فاصله دارند. ماشین‌های امروزی اندازه متوسطی دارند و مستعد خطا هستند در مرحله‌ای که به آن مرحله توسعه "کوانتومی در مقیاس متوسط پر سر و صدا" می‌گویند. ماهیت ظریف سیستم‌های کوانتومی کوچک به این معنی است که آن‌ها مستعد بسیاری از منابع خطا هستند و اصلاح این خطا‌ها یک مانع فنی بزرگ است. جام مقدس یک کامپیوتر کوانتومی در مقیاس بزرگ است که می‌تواند خطا‌های خود را اصلاح کند. اکوسیستم کاملی از جناح‌های تحقیقاتی و شرکت‌های تجاری این هدف را از طریق رویکرد‌های فناوری متنوع دنبال می‌کنند.

رویکرد پیشرو فعلی از حلقه‌های جریان الکتریکی در مدار‌های ابررسانا برای ذخیره و دستکاری اطلاعات استفاده می‌کند. این فناوری مورد استفاده گوگل، IBM، Rigetti و شرکت‌های دیگر است.

روش دیگر، فناوری "یون به دام افتاده" با گروه‌هایی از ذرات اتمی باردار الکتریکی کار می‌کند و از ثبات ذاتی ذرات برای کاهش خطا‌ها استفاده می‌نماید. این رویکرد توسط IonQ و Honeywell انجام شده است. سومین مسیر اکتشاف محصور کردن الکترون‌ها در ذرات ریز مواد نیمه رسانا است که می‌توان آن‌ها را در فناوری سیلیکونی محاسباتی کلاسیک ادغام کرد.

محاسبات کوانتومی سیلیکون این زاویه را دنبال می‌کند. با این وجود، جهت دیگر استفاده از ذرات منفرد نور (فوتون) است که می‌توان آن‌ها را با وفاداری زیاد دستکاری کرد. شرکتی به نام PsiQuantum در حال طراحی مدار‌های پیچیده "نور هدایت شونده" برای انجام محاسبات کوانتومی است. هنوز هیچ برنده مشخصی از میان این فناوری‌ها وجود ندارد و ممکن است این رویکرد ترکیبی باشد که در نهایت پیروز خواهد شد.

تلاش برای پیش‌بینی آینده محاسبات کوانتومی امروز شبیه به پیش بینی ماشین‌های پرنده و پایان دادن به دوربین‌های گوشی‌های تلفن همراه هوشمندمان است. با این وجود، چند نقطه عطف وجود دارد که بسیاری از محققان موافق هستند که احتمالا در دهه آینده به آن‌ها می‌رسند.

تصحیح بهتر خطا یک مشکل بزرگ است. ما انتظار داریم که شاهد گذار از عصر دستگاه‌های پر سر و صدا به دستگاه‌های کوچکی باشیم که می‌توانند محاسبات را از طریق تصحیح خطا فعال حفظ کنند.

دیگری ظهور رمزنگاری پسا کوانتومی است. این به معنای ایجاد و پذیرش استاندارد‌های رمزنگاری است که به راحتی توسط رایانه‌های کوانتومی شکسته نمی‌شوند. منشاء تجاری فناوری مانند سنجش کوانتومی نیز در چشم انداز قرار دارند.

نمایش یک "مزیت کوانتومی" واقعی نیز یک پیشرفت محتمل خواهد بود. این به معنای یک برنامه متقاعد کننده است که در آن یک دستگاه کوانتومی به طور غیرقابل استدلالی برتر از جایگزین دیجیتال است.

یک هدف طولانی برای دهه آینده ایجاد یک رایانه کوانتومی در مقیاس بزرگ بدون خطا (با تصحیح خطای فعال) است. وقتی این امر محقق شد می‌توانیم مطمئن باشیم که قرن بیست و یکم "عصر کوانتومی" خواهد بود.