آیا کامپیوترهای کوانتومی واقعی هستند؟ تا اینجای کار، اصل عدم قطعیت حاکم است

آیا کامپیوترهای کوانتومی تمام عیار در حال حاضر وجود دارند یا یک دهه قبل از ظهور آنها باقی خواهد ماند؟ آیا آنها باید به اندازه یک زمین فوتبال باشند؟ کابینت مرکز داده؟ مایکروفر؟

به نظر می رسد که هر چه بیشتر با دانشمندان کامپیوتری که در جستجوی محاسبات کوانتومی درگیر هستند صحبت کنید، مطمئن شدن پاسخ ها کمتر می شود. این طرف دیگر مورد کلاسیک گربه شرودینگر است که تا زمانی که جعبه را باز نکنید، هم مرده و هم زنده است: رایانه‌های کوانتومی را می‌توان به‌عنوان زنده یا هنوز متولد نشده مشاهده کرد.

به عنوان مثال، مایکروسافت در حال کار بر روی یک کامپیوتر کوانتومی تمام پشته بر اساس فناوری عجیب و غریب است که انتظار می‌رود ظرف یک دهه آینده محقق شود. IonQ مستقر در مریلند از سال 2019 سیستم های کوانتومی خود را به صورت تجاری عرضه می کند و قصد دارد سال آینده ساخت رایانه های کوانتومی نسل بعدی را در یک مرکز تحقیقاتی و تولیدی در Bothell، واشنگتن آغاز کند. در همین حال، D-Wave Systems، که در نزدیکی ونکوور، بریتیش کلمبیا مستقر است، بیش از یک دهه است که سخت‌افزار کوانتومی می‌فروشد.

بنابراین، آیا کامپیوترهای کوانتومی برای زمان اولیه آماده هستند؟ محققان می گویند که اینطور نیست و جدول زمانی توسعه نامشخص است. همه چیز بستگی به تعریف شما از کامپیوترهای کوانتومی و انواع مشکلاتی دارد که انتظار دارید با آنها مقابله کنند.

راهول تریودی، استاد مهندسی در دانشگاه واشنگتن که در کوانتوم تخصص دارد، گفت: “همیشه ظرافت در تولید این تخمین ها وجود دارد، زیرا هیچ کس به صورت تجربی یک کیوبیت منطقی کارآمد را نشان نداده است، خواه IonQ باشد یا مایکروسافت یا هر یک از پلتفرم های آزمایشی.” سیستم های.

از قضا یا از قضا، نویز کوانتومی نقش زیادی در عدم قطعیت بازی می کند. تریودی گفت: بسیاری از این تخمین ها بر اساس مدل های نویز انجام می شود. «مردم معتقدند که کار می کند و آزمایش خود را به خوبی توصیف می کنند. اما سپس آزمایش‌های خود را افزایش می‌دهید و شروع به یافتن نقص‌هایی در مدل‌های نویز خود می‌کنید، و سپس آنها را به‌روزرسانی می‌کنید، و همه آن اعداد به سرعت تغییر می‌کنند.

سوال در مورد کیوبیت

برخلاف رویکرد کلاسیک محاسبات، که بر دستکاری کاملاً درک شده از یک ها و صفرها متکی است، محاسبات کوانتومی بر ویژگی های عجیب فیزیک کوانتومی متکی است – جایی که یک بیت کوانتومی منفرد که به عنوان کیوبیت نیز شناخته می شود، می تواند چندین مقدار را نشان دهد. نتایج خوانده می شود.

شرکت‌های بزرگ فناوری مانند مایکروسافت، گوگل، آی‌بی‌ام و اینتل تلاش می‌کنند از مدارهای ابررسانا برای ساخت کیوبیت‌های خود استفاده کنند، در حالی که سایر شرکت‌ها از جمله IonQ و Quantinuum به جای آن از یون‌های به دام افتاده استفاده می‌کنند. D-Wave از رویکرد متفاوتی به نام آنیل کوانتومی استفاده می کند که روش های کوانتومی را برای انواع خاصی از مسائل به کار می برد.

تعداد کیوبیت های موجود در یک پردازنده اغلب به عنوان معیاری برای پیشرفت در تحقیقات کوانتومی استفاده می شود. برای مثال، در نوامبر گذشته، آی‌بی‌ام اعلام کرد که یک پردازنده 433 کیوبیتی به نام Osprey ساخته است که هدفش این است که تا سال 2025 از 4000 کیوبیت عبور کند.

اما محققان بین کیوبیت‌های فیزیکی، مواد خام برای محاسبات کوانتومی، و کیوبیت‌های منطقی، یعنی بلوک‌های سازنده قابل اعتماد برای چنین محاسباتی، تمایز قائل می‌شوند. از آنجایی که سیستم‌های کوانتومی ذاتاً نویزدار و مستعد خطا هستند، ساخت یک کیوبیت منطقی برای یک کامپیوتر کوانتومی تحمل‌پذیر خطا می‌تواند به ترکیب حداکثر 1000 کیوبیت فیزیکی نیاز داشته باشد.

تیم مایکروسافت تخمین می‌زند که یک کامپیوتر کوانتومی به میلیون‌ها کیوبیت فیزیکی برای تصحیح خطاها و کسب مزیت در حل مسائلی که ارزش حل کردن دارند، نیاز دارد. به همین دلیل است که مایکروسافت بر روی نانوسیم های ابررسانا برای کیوبیت های خود تمرکز کرده است.

ما در مورد یک میلیون کیوبیت فیزیکی به عنوان نقطه شروع صحبت می کنیم. کریستا سوور، معاون توسعه کوانتومی پیشرفته مایکروسافت، هفته گذشته در اجلاس Northwest Quantum Nexus گفت: یک میلیون نفر. بنابراین اگر کیوبیت شما اندازه مناسبی ندارد، ممکن است به اندازه یک زمین فوتبال باشد.

پیتر چپمن، مدیرعامل IonQ دیدگاه متفاوتی در مورد کیوبیت دارد.

او در نشست هفته گذشته به brooztechnology گفت: “اگر من یک میلیون کیوبیت داشته باشم، هنوز هم نرخ خطا دارم.” بنابراین اندازه برنامه ای که من اجرا می کنم با تعداد کیوبیت ها تعیین نمی شود. این به دلیل وفاداری در است.

چپمن استدلال می‌کند که مایکروسافت و سایر شرکت‌هایی که بر مدارهای ابررسانا متکی هستند، به سطحی از دقتی می‌رسند که می‌توانند با یک کیوبیت فیزیکی به دست آورند، و بنابراین باید از کیوبیت‌های فیزیکی زیادی برای تصحیح خطاها استفاده کنند. او گفت که سیستم یونی به دام افتاده IonQ به دلیل دقت بالای گیت قادر خواهد بود کارهای بیشتری را با کمتر انجام دهد.

به عنوان مثال، سیستم محاسبات کوانتومی IonQ از 32 کیوبیت فیزیکی یونی به دام افتاده برای ایجاد 25 کیوبیت الگوریتمی استفاده می کند – اندازه گیری ایجاد شده توسط IonQ که تقریباً معادل کیوبیت های منطقی به نظر می رسد اما با استفاده از فرمول متفاوتی محاسبه می شود.

چپمن گفت که نسل های آینده کامپیوترها این تعداد را افزایش خواهند داد. یکی از اسلایدهای نشان داده شده در اجلاس نشان می دهد که IonQ 64 کیوبیت الگوریتمی در سال 2025 و 1024 کیوبیت در سال 2028 را هدف قرار داده است.

کامپیوترهای IonQ به اندازه کابینت هایی هستند که ممکن است در مرکز داده رایانش ابری مشاهده کنید. چپمن گفت که عملیات Bothell این شرکت کامپیوترهایی را خواهد ساخت که بازارهای وسیع تری را هدف قرار می دهند.

او گفت: “یکی از اهداف سیاتل در واقع تولید محصولات بسیار بیشتر برای کاربر نهایی است، کاربر نهایی در اینجا احتمالا یک دانشگاه یا یک سازمان دولتی است.” “متاسفانه، این یک سرور خسته کننده خواهد بود.”

کوانتوم: برای چه چیزی خوب است؟

چرا محاسبات کوانتومی در وهله اول؟ محققان می گویند که حل برخی از انواع مسائل با پردازنده های کوانتومی آسان تر از پردازنده های کلاسیک است – از جمله برخی از مسائل که حل آنها به روش کلاسیک غیرممکن است.

رویکرد کوانتومی به ویژه برای چالش هایی که شامل غربال کردن طیف گسترده ای از احتمالات برای یافتن راه حل بهینه است، مناسب است. به عنوان مثال، مایکروسافت می‌گوید که هدف اولیه استفاده از روش جدیدی برای تثبیت نیتروژن است – اساساً یک کود ساده‌تر برای تولید. مایکروسافت همچنین با فورد برای بهینه سازی ترافیک با استفاده از شبیه سازی های الهام گرفته از کوانتومی کار می کند.

طرفداران محاسبات کوانتومی ممکن است در مورد مقابله با تغییرات آب و هوا و سایر چالش های جهانی صحبت کنند، اما Trivedi از UW می گوید همه مشکلات یکسان ایجاد نمی شوند.

او گفت: «طی چند سال آینده، مشکلاتی که مردم علاقه مند به استفاده از این ماشین‌ها برای آن هستند، دقیقاً مسائل تصادفی نیستند. آنها مشکلاتی هستند که در شبیه‌سازی سیستم‌های فیزیکی به وجود می‌آیند، و مشکلاتی هستند که در درک چگونگی رفتار مواد شیمیایی یا مولکول‌ها یا نحوه رفتار مواد خاص به وجود می‌آیند. برای بسیاری از این مشکلات، شما واقعاً به دنبال پاسخ کمی دقیق نیستید. شما به دنبال یک عدد نیستید، بلکه به دنبال یک روند هستید.”

در چنین مواردی، حتی یک پاسخ کمی اشتباه می تواند خوب باشد.

تریودی می‌گوید: «شما اغلب می‌توانید با سیستم‌های پر سر و صدا کنار بیایید، بنابراین واقعاً برای انجام این کار نیازی به تصحیح کامل خطا ندارید». بنابراین برای این مشکلات، اگر ماشینی مانند ماشین یونی به دام افتاده که IonQ دارد، یا حتی اگر افراد کیوبیت ابررسانا مانند گوگل و غیره هستید، ممکن است این مشکلات بدون نیاز به یک میلیون کیوبیت قابل دسترسی باشند.

آندریا کولانجلو، یکی دیگر از استادان علوم کامپیوتر UW، گفت که سیستم‌های محاسباتی کوانتومی اولیه می‌توانند از طریق شیمی به زندگی بهتری منجر شوند. او گفت: «مردم به انواع خاصی از الگوریتم‌ها برای شبیه‌سازی سیستم‌های شیمیایی امیدوارند. برای مثال، تیم‌های تحقیقاتی در حال آزمایش رویکردهای کوانتومی برای دسته‌ای از الگوریتم‌های معروف به شبیه‌سازی هامیلتونی هستند که می‌توانند حالت کم انرژی یک واکنش شیمیایی را شناسایی کنند.

کولادانجلو گفت: «از این می توان برای طراحی مواد جدید استفاده کرد.

از سوی دیگر، مسائل پیچیده ریاضی – برای مثال، یافتن عوامل اول اعداد بزرگ – شکستن سخت‌تر خواهد بود. چنین موضوعاتی برای کارشناسان امنیتی از اهمیت بالایی برخوردار است زیرا فاکتورسازی اولیه یکی از ارکانی است که در حال حاضر از ارتباطات و تراکنش های آنلاین امن پشتیبانی می کند. دولت فدرال در حال برنامه ریزی برای روزی است که هکرهای کوانتومی سعی در شکستن کدهایی دارند که از حساب بانکی شما محافظت می کند.

تریودی گفت خوشبختانه شکستن کدهای رمزنگاری یکی از چالش برانگیزترین کارهایی است که کامپیوترهای کوانتومی می توانند انجام دهند. تریودی گفت: “این احتمالاً بسیار دشوار است، به خصوص برای مقیاس اعدادی که مردم در رمزنگاری RSA استفاده می کنند.” «آنها کم نیستند. آنها تعداد بسیار بسیار زیادی هستند. بنابراین در آینده نزدیک این اتفاق نخواهد افتاد.»

اگر عصر کوانتومی جدید درخشانی در پیش باشد، احتمالاً در روز خاصی طلوع نخواهد کرد. مایکروسافت، آمازون، گوگل، IBM، IonQ، D-Wave و دیگران در حال حاضر ابزارهای کوانتومی مبتنی بر ابر را ارائه می‌کنند که توسعه‌دهندگان می‌توانند آن‌ها را امتحان کنند، و پلتفرم‌های محاسباتی ترکیبی به تدریج پیشنهادهای الهام‌گرفته از کوانتومی را بیشتر و بیشتر معرفی خواهند کرد.

بنابراین وقتی نوبت به تعیین زنده بودن یا نبودن رایانه‌های کوانتومی می‌رسد، احتمالاً در یک یا دو دهه آینده بیش از یک موقعیت وجود خواهد داشت تا جعبه را باز کنیم و بفهمیم.