آژانس پروژه‌های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی پنتاگون روی تلاش‌های دیرینه مایکروسافت برای ایجاد یک کامپیوتر کوانتومی در مقیاس صنعتی که از ویژگی‌های عجیب و غریب نانوسیم‌های ابررسانا بهره می‌برد، شرط‌بندی کرده است.
مایکروسافت یکی از سه شرکتی است که برای ارائه مفاهیم طراحی به عنوان بخشی از یک برنامه پنج ساله به نام سیستم‌های کم‌کاوش برای محاسبات کوانتومی مقیاس کاربردی یا US2QC انتخاب شده‌اند. برنامه دارپا تنها آخرین نمونه از این است که چگونه حمایت دولتی نیروی محرکه ای برای پیشبرد مرزهای محاسبات کوانتومی است – در زمانی که این مرزها هنوز در عدم قطعیت پوشیده شده است.
جو آلتپیتر، مدیر برنامه US2QC در دفتر علوم دفاعی دارپا، در بیانیه‌ای گفت: «کارشناسان موافق نیستند که آیا یک رایانه کوانتومی در مقیاس کاربردی مبتنی بر طرح‌های معمولی هنوز چند دهه فاصله دارد یا می‌توان خیلی زودتر به آن دست یافت. “هدف US2QC کاهش خطر غافلگیری استراتژیک از سیستم های محاسباتی کوانتومی ناشناخته است.”
Altepeter گفت دارپا فراخوانی را برای شرکت‌ها ارسال کرده است که اگر رویکردی دارند که فکر می‌کنند در کمتر از 10 سال به یک کامپیوتر کوانتومی همه منظوره مفید منجر می‌شود، با آنها تماس بگیرند. او گفت: «ما پیشنهاد داده‌ایم تا با تأمین مالی کارشناسان بیشتری برای پیوستن به تیم آنها همکاری کنیم و بررسی دقیق و تأیید راه‌حل‌های پیشنهادی آنها را برای تعیین قابلیت اجرا ارائه کنیم.»
Altepeter گفت که نتیجه می تواند منجر به “برد-برد” شود: فناوری تجاری شرکت ها تقویت می شود، در حالی که جامعه امنیت ملی دولت فدرال می تواند “از غافلگیری” اثرات مخرب بالقوه جلوگیری کند.
شرکت‌های دیگری که در برنامه US2QC به مایکروسافت می‌پیوندند، Atom Computing هستند که در حال کار بر روی خواص کوانتومی اتم‌های به دام افتاده نوری هستند. و PsiQuantum که احتمالات فوتونیک مبتنی بر سیلیکون را بررسی می کند. هر دو شرکت در کالیفرنیا مستقر هستند.
در مرحله اولیه این برنامه، هر یک از شرکت‌ها یک طرح مفهومی ارائه می‌کنند که برنامه‌های خود را برای ایجاد یک کامپیوتر کوانتومی در مقیاس کاربردی توضیح می‌دهد. این مفاهیم، توسعه طراحی‌های دقیق‌تر و کامل‌تر سیستم را هدایت می‌کنند که توسط یک تیم آزمایش و اعتبارسنجی تحت رهبری دارپا ارزیابی می‌شوند.
یک ترفند توپولوژیکی
جستجوی کوانتومی شامل رویکردی برای محاسبات است که به طور چشمگیری با دنیای الکترونیکی سنتی یک و صفر متفاوت است. کیوبیت ها یا بیت های کوانتومی می توانند چندین مقدار را به طور همزمان نمایش دهند تا زمانی که نتایج خوانده شوند. این امر محاسبات کوانتومی را به طور بالقوه برای انواع خاصی از مشکلات قدرتمندتر می کند، مانند غربال کردن مجموعه داده های بزرگ برای یافتن راه حل های بهینه.
کاربردها می تواند شامل ایجاد مواد شیمیایی جدید برای باتری های بهتر، کودهای موثرتر یا انواع جدیدی از داروها باشد. فراتر از علم شیمی، محاسبات کوانتومی می‌تواند سیستم‌هایی را از مسیرهای ترافیکی و شبکه‌های ارتباطی بین سیاره‌ای گرفته تا خدمات مالی را بهینه کند.
اما چه نوع سخت افزاری برای محاسبات کوانتومی مناسب تر است؟ مایکروسافت بیش از یک دهه است که پتانسیل معماری کیوبیت توپولوژیکی را بررسی کرده است. سال گذشته با یافتن شواهدی از یک پدیده عجیب و غریب به نام حالت صفر مایورانا، پیشرفت قابل توجهی در تلاش‌های او مشاهده شد.
یک کامپیوتر کوانتومی مبتنی بر معماری مایکروسافت با القا و دستکاری حالت های صفر مایورانا در انتهای سیم های ابررسانای توپولوژیکی کار می کند. نشان دادن اینکه چنین حالت‌هایی در واقع وجود دارند، گام بزرگی در جهت تحقق مفهوم مایکروسافت است.
مایکروسافت تخمین می زند که یک کامپیوتر کوانتومی باید حداقل یک میلیون کیوبیت فیزیکی داشته باشد تا بتواند مشکلاتی را که کامپیوترهای کلاسیک از پس آن بر نمی آیند، حل کند. کریستا سوور، معاون توسعه کوانتومی پیشرفته مایکروسافت، هفته گذشته در اجلاس Northwest Quantum Nexus Summit گفت، اگر این کیوبیت‌های فیزیکی اندازه مناسبی نداشته باشند، سخت‌افزار مورد نیاز «می‌تواند به اندازه یک زمین فوتبال باشد».
Svore گفت: «و بنابراین در مایکروسافت ما بر روی کیوبیتی متمرکز شده‌ایم که درست است و این کیوبیت توپولوژیکی است.
یافته‌های سال گذشته اعتماد مایکروسافت به رویکرد خود را افزایش داد، اما برای ایجاد یک کامپیوتر کوانتومی توپولوژیکی تمام پشته به تحقیق و توسعه بیشتری نیاز است. Svore گفت: “ما به یک کیوبیت نیاز داریم که درست است، و ما به یک سیستم در اطراف آن نیاز داریم.” ما باید در ابر بزرگتر ادغام شویم، درست است؟ ما باید با حجم عظیمی از محاسبات کلاسیک ادغام شویم. … در عین حال، ما همچنین نیاز به طراحی و مهندسی مشترک نرم افزار و سخت افزار داریم.
نگرانی های امنیت ملی
دولت فدرال به دلایل مختلفی به محاسبات کوانتومی علاقه مند است.
چارلز تاهان، مدیر دفتر ملی هماهنگی کوانتومی در دفتر سیاست علم و فناوری کاخ سفید در نشست هفته گذشته گفت: «اولین هدف ایالات متحده ترویج این فناوری است. ما باید رهبری خود را در فناوری اطلاعات کوانتومی حفظ کنیم. این به معنای سرمایه گذاری بیشتر در تحقیق و توسعه، سرمایه گذاری بیشتر در برنامه های توسعه نیروی کار، و مشارکت بیشتر با بخش خصوصی است، اما همچنین [with] شرکای بین المللی ما.»
اهداف دیگر مربوط به امنیت ملی است. طحان گفت: «چیزی که بیشتر در اخبار مشاهده می کنید، حرکت کشور به سمت رمزنگاری مقاوم در برابر کوانتومی است.
در تئوری، رایانه های کوانتومی می توانند چالش های فاکتورگیری اعداد بزرگ را حل کنند، شاخه ای از ریاضیات که نقش کلیدی در ارتباطات آنلاین امن و تراکنش های مالی ایفا می کند. طحان گفت: “با پتانسیل یک کامپیوتر کوانتومی مقاوم در برابر خطا، اگر چنین ماشینی داشتید، می‌توانید RSA و دیگر اشکال رمزنگاری کلید عمومی را شکست دهید.” با توجه به مقیاس‌های زمانی که کشور چگونه باید از اطلاعات برای 25 سال، حتی 50 سال محافظت کند، بسیار مهم است که اکنون به سمت رمزنگاری مقاوم در برابر کوانتومی برویم.
محافظت از اطلاعات در برابر شکستن یک کد کوانتومی، طرف دیگر درک نحوه کار یک کامپیوتر کوانتومی است. طحان گفت، در همین حال، دولت فدرال باید از فناوری آمریکایی در برابر سرقت توسط رقبای جهانی محافظت کند.
او گفت: «اگر این کار را درست انجام دهیم، یک دهه یا بیشتر طول خواهد کشید تا به سمت رمزنگاری مقاوم در برابر کوانتومی برویم. در حین انجام این کار، باید از سرمایه گذاری های خود هم برای امنیت اقتصادی و هم برای امنیت ملی خود محافظت کنیم.»
چین رقیب اصلی است. ماه گذشته، محققان چینی زمانی که اعلام کردند راهی برای شکستن الگوریتم RSA، که اساس اکثر طرح‌های رمزگذاری داده‌ها است، کشف کرده‌اند، سروصدا به پا کردند. کارشناسان بیرونی گفتند که ترس ناشی از آن بیش از حد بود. با این حال، این گزارش نشان داد که مخاطرات چقدر می توانند جدی شوند.
پیتر چاپمن، مدیر عامل شرکت محاسبات کوانتومی IonQ، ادعاهای چینی ها را به عنوان “تیراندازی از روی بینی” تلقی کرد.
چاپمن هفته گذشته در اجلاس سران گفت: “این فقط نشان می دهد که … کسی می تواند ایده جدیدی ارائه دهد و ناگهان ما در معرض خطر قرار می گیریم.” بنابراین ما باید این موضوع را بسیار جدی‌تر از آنچه در حال حاضر انجام می‌دهیم در نظر بگیریم.»
چپمن گفت که حمایت فدرال و همچنین سرمایه گذاری خصوصی برای تضمین رهبری آمریکا در تحقیقات کوانتومی مورد نیاز است. او قبلاً می تواند به یک مثال اولیه اشاره کند: همکاری IonQ با آزمایشگاه ملی شمال غرب اقیانوس آرام در روش جدیدی برای تولید یون های باریم برای رایانه های کوانتومی آینده. این فرآیند در اوایل سال آینده زمانی که IonQ عملیات خود را در تاسیسات تحقیقاتی و تولیدی خود در Bothell، واشنگتن افزایش دهد، بخشی از زنجیره تامین تجاری خواهد بود.
روشی که ما در برابر مکان‌هایی مانند چین پیروز می‌شویم، یک مشارکت عمومی-خصوصی است و بخش عمومی باید بتواند طرف خصوصی را برای سرمایه‌گذاری در آن تشویق کند.» اگر بخواهید، این همان کاری است که ما در روزهای اولیه تولید نیمه هادی ها انجام دادیم. چند شرکت مانند Fairchild بودند که به سختی روی مدارهای مجتمع کار می کردند و ناسا بازار اولیه را برای آنها فراهم کرد. “البته، این انگیزه ایجاد کرد تا بتوانیم در این فناوری خاص سرمایه گذاری کنیم. مابقی، به اصطلاح، تاریخ است.»
سباستین هاسینگر، مسئول توسعه تجارت جهانی و راهبرد بازار کوانتومی، گفت: تا کنون، بخش عمومی «کار بسیار خوبی برای اطمینان از روشن بودن چراغ‌های جلو انجام داده است» زیرا شرکت‌های فناوری در بزرگراه اطلاعات کوانتومی حرکت می‌کنند. محاسبات در خدمات وب آمازون
هاسینگر به brooztechnology گفت: اساساً این چیزی نیست که بتوانید آن را به بازارهای خصوصی بسپارید. «می‌توانید ببینید که چقدر تعداد کمی از صندوق‌های سرمایه‌گذاری خطرپذیر سرمایه‌گذاری می‌کنند. انجام این کار دشوارتر است زیرا افق های بسیار طولانی تر و عدم اطمینان بسیار بیشتری نسبت به صندوق های معمولی برای ایجاد وجود دارد. … سه تا پنج سال دیگر نیست.»