محاسبات کوانتومی در دنیای واقعی

محاسبات کوانتومی چیست؟ آیا محاسبات کوانتومی در مرحله نظری است و یا در دنیای عملی وارده شده است؟ جایگاه محاسبات کوانتومی در دنیای واقعی کجاست؟ آیا محاسبات کوانتومی می تواند بخشی از امنیت ما که برپایه محاسبات کلاسیک است را تهدید کند؟ نقش ما در زمینه محاسبات کوانتومی چه می‌تواند باشد؟ در این نوشتار به جایگاه محاسبات کوانتومی در دنیای عملی می‌پردازیم. با مرور کارهای انجام گرفته و پیش‌بینی آنچه در این زمینه به وقوع خواهد پیوست، پیشنهادهایی برای مؤثر بودن در بازار محاسبات کوانتومی و آماده بودن برای تحولات آتی در این زمینه ارائه شده است.

رایانه کوانتومی

یک رایانه کوانتومی رایانه‌ای است که بر پایه قوانین شگفت انگیز مکانیک کوانتومی بنا شده است. به جای ترانزیستور‌ها در رایانه کلاسیک، در اینجا کیوبیت‌ها را داریم. به خاطر اصول بر هم نهی و در هم تنیدگی از مکانیک کوانتوم، کیوبیت‌ها خواص منحصربفردی در محاسبات در اختیار ما قرار می‌دهند که در رایانه کلاسیک ناممکن است. این اصول برخی محاسبات بسیار سخت برای رایانه‌های کلاسیک را برای رایانه‌های کوانتومی ساده می‌سازند.

کوانتوم به کوچکترین واحد ممکن قابل شمارش از یک پدیده می‌گویند. مثلاً یک کوانتوم از نور در واقع یک فوتون است. البته در رایانه‌های کوانتومی، یک کیوبیت لزوما یک الکترون یا نوترون نیست. بلکه هر ذره‌ای که دارای انرژی گسسته باشد به طوری که این انرژی قابل خواندن و دستکاری باشد، می‌تواند به عنوان کیوبیت در نظر گرفته شود. بنابراین کیوبیت‌ها مواد نادری نیستند.

تاریخچه محاسبات کوانتومی

اولین بار در سال 1981 ریچارد فایمن ایده ساخت رایانه‌ای که بر پایه مکانیک کوانتوم باشد را مطرح کرد. چهار سال بعد، در سال 1985 دوچ مدل جامعی از یک رایانه کوانتومی ارایه داد. بیش از بیست سال طول کشید تا اینکه شرکت D-wave در سال 2008 ادعا کرد که توانسته است یک محاسبه‌گر کوانتومی 128 کیوبیتی بسازد.

از سال 2018 به بعد تحولات در زمینه محاسبات کوانتومی سرعت گرفت. در سال 2018، شرکت‌های Google و Intel به ترتیب توانستند تراشه‌های 72 و 49 کیوبیتی بسازند. در همان سال IonQ از اولین کامپیوتر کوانتومی تجاری خود پرده‌برداری کرد. به دنبال آن در سال 2019 شرکت IBM اولین کامپیوتر کوانتومی تجاری خود را ساخت.

مهم‌ترین اتفاق، پروژه برتری کوانتومی‌ گوگل بود که توانست با کامپیوتر کوانتومی Sycamore مساله‌ای سخت محاسباتی را که برای ابرکامپیوترهای کلاسیک بیش از 100 هزار سال زمان می‌برد در تنها 200 ثانیه حل کند. این اولین تجربه برتری محاسبات کوانتومی بر محاسبات کلاسیک در دنیای عملی بود که محاسبات کوانتومی را وارد مرحله جدیدی می‌کرد.

سه دوره محاسبات کوانتومی

می‌توانیم تحولات محاسبات کوانتومی را در سه دوره تقسیم‌بندی کنیم. دوره قبل از 2020 که تلاش‌ها بر پایه نظریه و آزمایش‌های اولیه و نمونه‌های اولیه کامپیوتر کوانتومی بود. این دوره با انجام پروژه برتری محاسباتی گوگل وارد مرحله جدیدی شد.

دوره بعدی، دوره بین سالهای 2020 تا 2030 است. در این دوره کامپیوترهای کوانتومی به طور عملی وارد میدان شده‌اند و با کامپیوتر‌های کلاسیک رقابت می‌کنند. ولی هنوز به توانایی کاملی که از آنها انتظار می‌رود نرسیده‌اند. زیرا کیوبیت‌ها که در واقع انرژی ذرات ریز هستند بسیار به نویز حساس هستند. مثلاً نویز حرارتی می‌تواند مقدار آنها را تغییر دهد و دچار مشکل کند. به همین علت بیشتر کامپیوتر‌های کوانتومی در دمایی نزدیک به صفر کار می‌کنند. همچنین کیوبیت‌هایی که در کنار هم قرار می‌گیرند، می‌توانند روی هم تاثیر بگذارند.

بنابراین افزایش تعداد کیوبیت‌ها با افزایش نویز همراه است که این نویز باید کنترل شود. انسجام و ارتقای تعداد کیوبیت‌ها به همراه کنترل و کاهش نویز مهم‌ترین چالشی است که در حال حاضر سازندگان رایانه‌های کوانتومی با آن روبرو هستند. رایانه‌هایی که در دوره بین سالهای 2020 تا 2030 در دسترس هستند به علت چالش نویز از نظر تعداد کیوبیت‌ها در محدودیت هستند. به این نسل از رایانه‌های کوانتومی NISQ (Noise Intermediate scale Quantom Comuter) می‌گویند. پیش‌بینی می‌شود تا سال 2030 این چالش پشت سر گذاشته شود و رایانه‌های کوانتومی با تمام توان محاسباتی خود و تعداد کیوبیت بالا وارد عرصه محاسبات عملی شوند.

دوره زمانی از سال 2030 به بعد دوره ورود چنین رایانه‌هایی است. برای مثال شرکت IBM پیش بینی کرده است که تا سال 2030 یک کامپیوتر کوانتومی با صد هزار کیوبیت ارایه کند. این شرکت پردازشگر 1000 کیوبیتی Condor را در سال 2023 ارایه کرد.

کاربردهای محاسبات کوانتومی

رایانه‌های کوانتومی از پایه با کامپیوترهای کلاسیک متفاوت هستند. پایه این رایانه‌ها بر مبنای مکانیک کوانتومی است. بنابراین به طور ذاتی می‌توانند محاسباتی را انجام دهند که برای رایانه‌های کلاسیک ناممکن است و یا حداقل به صدهزار سال زمان احتیاج دارد. برای مثال، اصل برهم نهی کوانتومی یک خاصیت موازی سازی ذاتی به رایانه‌های کوانتومی می‌دهد که برای رایانه‌های کلاسیک غیرقابل تصور است.

در حال حاضر بسیاری از فناوران در حوزه فناوری در زمینه محاسبات کوانتومی سرمایه‌گذاری کرده‌اند تا تجارت خود را بهبود دهند و موقعیت برتری نسبت به رقبای خود در سال‌های آتی پیدا کنند. برای مثال اتحادیه اروپا طی قراردادی با شرکت‌های Deutsche Telekom و Orange و Telefonika از آنها خواسته است که لایه فیزیکی خود را با فناوری کوانتومی ارتقا دهند.

یکی از مهم ترین حوزه‌های کاربرد محاسبات کوانتومی، هوش مصنوعی است. یادگیری ماشین بخش اصلی از هوش مصنوعی است که می‌تواند با محاسبات کوانتومی متحول شود. شرکت IBM با همکاری آزمایشگاه هوش مصنوعی دانشگاه MIT در حال ایجاد و بهبود الگوریتم‌های کوانتومی در این زمینه هستند.

از جمله کاربردهای بسیار گسترده محاسبات کوانتومی می‌توان به بازارهای مالی و پیش‌بینی آب و هوا ،ساخت داروها و رمزنگاری و ارتباطات اشاره کرد.

بازار محاسبات کوانتومی و پیشنهاد‌ها

بازار محاسبات کوانتومی برای سال 2023 تقریبا 866 میلیارد دلار برآورد می‌شود. پیش‌بینی می‌شود در سال 2028 این رقم به بیش از 4 میلیارد دلار برسد. برای سال 2030 روند بازار کوانتومی به مبلغی بالاتر از 30 میلیار دلار تخمین زده می‌شود. مسایل بهینه سازی، تشخیص الگو و شبیه سازی‌های پیچیده محرک بازار برای سرمایه گذاری در محاسبات کوانتومی هستند.

با مطالعه نقشه راه دیگران می‌توان مشاهده کرد که معمولاً دولت‌ها با تشویق و گذاشتن مسابقات و جایزه دادن پرژه‌های تحقیقاتی و کاربردی در این زمینه پیشران هستند. بعضی شرکت‌ها هم که در زمینه ساخت فعال هستند، نقشه راه خود را کنترل نویز و افزایش تعداد کیوبیت بیان کرده‌اند. دسته دیگری از شرکت‌ها فعالیت خود را برتوسعه الگویتم‌ها و نرم افزار‌های کوانتومی متمرکز کرده اند. مثل شرکت‌های Zapata Computing ،Cambridge quantum Computing.

سؤالی که اینجا مطرح می‌شود این است که آیا ما می‌توانیم در این بازار نقش بازی کنیم و سهمی از بازار را به خود اختصاص دهیم؟ شاید به نظر برسد که چون فعلاً ساخت رایانه‌های کوانتومی برای ما ممکن نیست، ما هم دسترسی به این بازار نمی‌توانیم داشته باشیم. ولی خوشبختانه بازار کار روی الگوریتم‌ها و نرم‌افزار‌های کوانتومی بر روی ما بسته نیست. می‌توانیم همانطور که در زمینه رایانه‌های کلاسیک نیز با کار روی نرم افزار در بازار فعالیت داشته‌ایم، هم اکنون نیز تاثیر گذار باشیم.

در حال حاضر نرم افزارهایی موجود هستند که شامل مدارها و الگوریتم‌های کوانتومی است و می‌توان با آن‌ها روی نرم‌افزار‌های کوانتومی کار کرد. این نرم‌افزار‌ها همچنین محیط‌های شبیه‌سازی شده کامپیوترهای کوانتومی را در اختیار ما قرار می‌دهد. برای مثال Qiskit، Cirq، Pennylane.

مهم‌تر اینکه رایانه‌های کوانتومی خیلی هم دور از دسترس نیستند. بعضی تأمین‌کنندگان محاسبات ابری نظیر Azure و یا Amazon web Service این امکان را فراهم کرده‌اند که می‌توانیم به کامپیوترهای کوانتومی دسترسی پیدا کنیم.

نتیجه گیری و پیشنهاد

با توجه به اهمیت بازار محاسبات کوانتومی و توانایی‌های ما و تحولات احتمالی سال‌های آتی، پیشنهاد می‌شود با کار روی الگوریتم‌ها و نرم افزار‌های کوانتومی چند هدف را دنبال کنیم.

• اول: ایجاد الگوریتم‌های کوانتومی جدید و نرم افزارهای مرتبط (بویژه یادگیری ماشین کوانتومی- هوش مصنوعی).
• دوم: تولید ثروت با تولید اطلاعات جدید با تحلیل کلان‌داده توسط نرم افزارهای کوانتومی
• سوم: و مهم‌تر از همه اینکه با توجه به اینکه پیش‌بینی می‌شود از سال 2030 به بعد رایانه‌های کوانتومی به طور جدی وارد عرصه عملی شوند، تربیت افراد خبره و تسلط علمی در زمینه محاسبات کوانتومی و داشتن آمادگی برای ورود به دهه 2030 ضروری به نظر می‌رسد.