ساخت قوی ترین کامپیوتر کوانتومی و پیشرفته ترین یخچال دنیا توسط IBM - دَبی بلاگ

به گزارش خبرنگاران به نقل از زومیت، IBM به عنوان یکی از قدیمی ترین شرکت های حوزه فناوری، در حال ساخت یخچال است. این مسئله بی سابقه نیست؛ زیرا سایر شرکت های فناوری از جمله سامسونگ و ال جی هرساله ده ها یخچال را با انبوهی از تکنولوژی های جدید برای مصارف خانگی تولید و عرضه می کنند؛ اما یخچال IBM که هنوز در حال توسعه است، بسیار متفاوت خواهد بود.

یخچال یادشده با ابعاد غول پیکر 10 فوت ارتفاع (3.1 متر) و 6 فوت عرض (1.8 متر)، به طرز غیر قابل تصوری سرد خواهد بود و می تواند سرمایی بالغ بر 15 میلی کلوین (منفی 459 درجه فارنهایت - منفی 258 درجه سلسیوس) تولید کند؛ دمایی که سردتر از فضای خارج از جو زمین است. این یخچال با الهام از یک فیلم جیمز باند، Goldeneye نام گذاری شده و عظیم ترین تفاوت آن با یخچال آشپزخانه، محتوای برنامه ریزی شده آن است. از یخچال یادشده نباید انتظار داشت که مواد غذایی را نگه داری کند؛ در عوض، قرار است اولین کامپیوتر کوانتومی یک میلیون کیوبیتی جهان را در بطن خود جای دهد.

مدتی است رقابت جهانی غول های فناوری برای دستیابی به کامپیوتر کوانتومی فعال در جریان است. رایانه های کوانتومی ما را قادر خواهند ساخت برخی از مسائل غیر قابل حل کنونی را حل کنیم. به عنوان مثال، با استفاده از کامپیوتر کوانتومی می توان به داروها و کودهای پیشرفته و کارآمدتر یا هوش مصنوعی بسیار پیچیده دست یافت که می تواند آینده را به کلی دست خوش تغییرات بنیادی کند.

کامپیوترهای کنونی اطلاعات را به صورت بیتِ یک یا صفر (روشن/خاموش) ذخیره می کنند و محاسبات را با استفاده از اجزای کوچک پردازش الکترونیکی داده موسوم به ترانزیستور انجام می دهند. در مقابل، کامپیوترهای کوانتومی با تکیه بر کیوبیت ها می توانند ترکیبی از یک و صفر را به لطف پدیده فیزیک کوانتومی برهم نهی، به صورت هم زمان ذخیره کنند. افزون بر این، کیوبیت ها می توانند با درهم تنیدگی (یکی دیگر از پدیده های فیزیک کوانتوم) با یکدیگر پیوند ایجاد کنند.

در حال حاضر محققان کوانتوم فقط از تعداد کمی کیوبیت (بیت کوانتومی) بهره می گیرند که با استفاده از سیستم های کوچک تر و با طراحی سفارشی، با مکانیسم های پیچیده کنترل و اتصال احاطه شده اند. کاربرد محاسبات کوانتومی برای برطرف مسائل جهانی واقعی، قبل از هر چیز به توانایی مقیاس پذیری و کنترل هم زمان هزاران کیوبیت با هماهنگی بسیار بستگی دارد. افزایش تعداد کیوبیت باعث ایجاد موارد دیگری می گردد که ظرفیت و عملکرد سیستم کوانتومی را به چالش می کشند. یکی از این تأثیرات بالقوه می تواند کاهش هماهنگی و عملکرد کیوبیت ها در اثر افزایش گرما باشد.

درست مانند پردازنده های معمولی، کامپیوتر کوانتومی به مکانیزم خنک کننده، البته با مقیاس بسیار گسترده تر احتیاج دارد. در آینده ممکن است هزاران یا حتی میلیون ها کیوبیت منطقی به طور هم زمان در محاسبات استفاده شوند و برای به دست آوردن نتیجه صحیح، هر کیوبیت باید در ابتدای محاسبه مجددا تنظیم گردد. اگر کیوبیت ها خیلی گرم باشند، نمی توان آن ها را مقداردهی اولیه کرد؛ زیرا آن ها بیش از حد بین حالت های مختلف جابه جا می شوند؛ از این رو، بیشتر سیستم های محاسبات کوانتومی فقط در دمای صفر مطلق و نزدیک به انجماد کار می کنند.

جری چو، مدیر توسعه سخت افزار کوانتومی IBM، می گوید برای ظهور اثرات کوانتومی، سیستم ها باید در دمای بسیار پایین خنک شوند. این امر IBM را بر آن داشته است که خود توسعه سیستم خنک کننده کامپیوتر کوانتومی را بر عهده گیرد و محدودیت های یخچال های کنونی در مقیاس کوانتومی را از بین ببرد. در حال حاضر حفظ یکپارچگی خلأ و متعادل سازی وزن اجزای مختلف مورد احتیاج برای سرد کردن، مواردی هستند که باید اصلاح و محدودیت های ناشی از آن ها برطرف گردد.

آلن کی، دانشمند حوزه کامپیوتر، بر این باور است که شرکت های نرم افزاری باید سخت افزار خود را بسازند. شاید معادل کوانتومی گفته او این باشد که شرکت های مبتنی بر محاسبات کوانتومی باید نه تنها کامپیوتر کوانتومی، بلکه یخچال مخصوص را برای خنک سازی آن سخت افزار توسعه دهند. شواهد نشان می دهد که یخچال در حال توسعه IBM می تواند در نوع خود کاملا پیشتاز و شایسته لقب پیشرفته ترین یخچال جهان باشد؛ زیرا می تواند یک کامپیوتر کوانتومی یک میلیون کیوبیتی را در خود جای دهد؛ به شرطی که IBM بتواند آن را طبق برنامه ریزی خود بسازد.

مبانی اصلی کامپیوتر کوانتومی به حدود چهار دهه پیش و نظریه ساخت کامپیوتر کلاسیک با برخی از اِلِمان های مکانیک کوانتوم، از طریق فیزیک دان آمریکایی، پائول بنی اُف (Paul Benioff) بازمی گردد و در طی سال ها، افراد زیادی به تحقیق وتوسعه و نظریه پردازی در این باره پرداخته اند؛ اما عده ای از جامعه علمی بر این باورند که دیوید دویچ، اولین انگیزه و بنیاد تحقیق در مورد کامپیوتر کوانتومی را پایه گذاری کرده است.

افرادی همچون ریچارد فاینمن، دیوید دویچ و یوری مانین در سلسله مراتب تحقیقات خود به ایده مدل مکانیکی کوانتومی از یک ماشین تورینگ دست یافتند که نشان می داد از یک رایانه کوانتومی می توان برای شبیه سازی چیزهایی استفاده کرد که به سادگی نمی توان آن ها را از طریق کامپیوتر کلاسیک و با استفاده از فیزیک کلاسیک شبیه سازی کرد. برای مثال، در سال 1994 دان سیمون در نظریه ای نشان داد که یک کامپیوتر کوانتومی می تواند از نظر نمایی سریع تر از یک رایانه کلاسیک باشد.

همان طور که گفته شد، یکی از تفاوت های عظیم کامپیوترهای سنتی و کوانتومی به مفهوم برهم نهی مربوط می گردد. یک کامپیوتر کلاسیک می تواند مبتنی بر حالت A یا B (یا در اصطلاح باینری، یک یا صفر) باشد؛ درحالی که کامپیوتر کوانتومی می تواند از ترکیب این دو هم استفاده کند؛ در واقع به نوعی نظریه گربه شرودینگر را یادآوری می کند. بر اساس این نظریه ، گربه درون یک جعبه تا وقتی که درِ آن را باز نکنیم، می تواند به طور هم زمان زنده یا مرده یا هر دو (زنده و مرده) باشد. سپس مفاهیم دیگری مانند فروپاشی، عدم اطمینان و درهم تنیدگی وجود دارد که کامپیوترهای کوانتومی را بسیار متفاوت از کامپیوترهای کنونی که با آن ها عظیم شده ایم، می کند.

به همان روشی که یک کامپیوتر کلاسیک با بیت ها کار می کند، رایانه های کوانتومی با کیوبیت کار می کنند. در حال حاضر IBM در قدرتمند ترین کامپیوتر کوانتومی اش موسوم به Hummingbird، از 65 کیوبیت بهره می گیرد؛ اما با استناد به نقشه راه آبی عظیم، این شرکت در نظر دارد تراشه Eagle مجهز به 127 کیوبیت را در سال آینده میلادی و پردازنده Osprey با 433 کیوبیت را در سال 2022 آماده استفاده کند.

افزون بر این، گفته می گردد شرکت یادشده در سال 2023 تراشه کُندور (Condor) را عملیاتی می کند که در بطن خود 1112 کیوبیت جای داده است و نقطه عطفی در مفیدتر کردن الگوریتم های محاسبات کوانتومی محسوب می گردد و در نهایت، IBM بعد از مدتی نامعلوم قصد دارد کامپیوتر یک میلیون کیوبیتی خود را به بهره برداری برساند. جهش از 65 کیوبیت به یک میلیون کیوبیت کاملا چشمگیر خواهد بود؛ اما در جهانی محاسبات (حتی محاسبات کلاسیک)، جهش های چشمگیر روی کاغذ بسیار خوب به نظر می رسند.

برای مثال، قانون مور می گوید تعداد ترانزیستورهایی که می توانند روی صفحه مدار منطقی قرار بگیرند، تقریبا هر دو سال دو برابر می شوند. نزدیک ترین اصل کوانتوم به قانون مور، همان است که از آن به عنوان قانون رُز (Rose) یاد می گردد که از طریق جوردی رُز در سال 2002 تدوین شده است. قانون یادشده بیان می کند که تعداد کیوبیت های یک کامپیوتر کوانتومی هر دو سال دو برابر می گردد. در مقیاسه با قانون مور، مسلما مفاهیم قانون رُز عمیق تر هستند؛ زیرا در هر بخش، برهم نهی کوانتومی قدرت بسیار بیشتری در مقیاسه با بیت های باینری در ترانزیستورها به ارمغان می آورد.

ازآنجاکه بیشتر همیشه برابر با مفهوم بهتر نیست، IBM برای سنجش عملکرد توانایی کامپیوتر کوانتومی و اندازه گیری خطا، از معیاری که آن را حجم کوانتومی می نامد، بهره می گیرد. این فرایند فقط مقیاس گذاری تعداد فیزیکی کیوبیت ها مربوط نمی گردد؛ بلکه تعداد کیوبیت ها و عملکرد آن ها را در بر دارد. قبل از اینکه کیوبیت ها با اختلال روبه رو شوند و اطلاعات کوانتومی کاربران از بین برود، حجم کوانتومی می تواند تشخیص بدهد چه مقدار از حجم مدار را می توان روی سخت افزار اعمال کرد.

نیلز بور، یکی از چهره های بنیان گذار مکانیک کوانتوم، بر این باور بود که همه پدیده هایی که ما آن ها را واقعی می دانیم، از بخش هایی ساخته شده است که نمی توان آن ها را واقعی دانست. حال با استناد به اصل برهم نهی کوانتومی و اصل شرودینگر، ممکن است کامپیوترهای کوانتومی هم اکنون در جهانی عجیب و ناشناخته ما وجود داشته باشند و درعین حال وجود نداشته باشند.

آبی عظیم (IBM) تنها یکی از بازیگران صنعت کامپیوتر کوانتومی محسوب می گردد. شرکت هایی از جمله اینتل، گوگل، بایدو، هانی ول و آمازون نام های عظیم دیگری هستند که هر کدام، می کوشد تا به برتری کوانتومی دست یابد. جدای از این، الگوریتم های کوانتوم نیز وجود دارند؛ اما در حال حاضر، به صورت مؤثر نمی توانند روی کامپیوتر کوانتومی اجرا شوند.

با وجود اثبات مفاهیم و دلایل هیجان انگیز رایانش کوانتومی، منصفانه است که بگوییم جهان به این زودی قادر به پذیرش این تکنولوژی نخواهد بود و به پتانسیل و قدرت عظیم رایانش کوانتومی نزدیک نشده است. جری چو معتقد است که آنچه محاسبات کوانتومی از نظر کاربردهای واقعی در بر دارند، هنوز کاملا مشخص و قابل دسترس نیستند و برخی از جالب ترین موارد استفاده از این تکنولوژی همچون شیمی محاسباتی، مدل سازی مالی، امنیت سایبری و ارز رمزنگاری شده یا پیش بینی های پیشرفته فعلا در هاله ای از ابهام باقی مانده است.

محاسبات کوانتومی سال ها در انحصار دانشمندان و در شرایط آزمایشگاهی در حال توسعه بوده است؛ اما پیشرفت های جدید، این فناوری انقلابی را به سمت کاربردهای عملی سوق می دهد. دست آوردهایی از جمله سیستم خنک کننده قوی تر، تراشه های پیشرفته تر، افزایش ظرفیت پردازش، پیشرفت در فرایند تصحیح خطا و... یادآوری می کنند که شاید تا عمومی شدن این نوع کامپیوتر در صنایع و تجارت های خاص، کم تر از یک دهه فاصله داشته باشیم. شرکت IBM به عنوان یکی از عظیم ترین و قدیمی ترین بازیگران صنعت های نوظهور با انبوهی از افتخارات صنعتی، سرمایه گذاری هنگفتی روی سه تکنولوژی آینده ساز انجام داده است.

رئیس بخش سخت افزار کوانتومی IBM اذعان می کند که تمرکز این شرکت بر نحوه ارائه آینده محاسبات است و کوانتوم بخشی اجتناب ناپذیر از آینده خواهد بود. محاسبات کوانتومی یکی از سه شرط بندی عظیم IBM برای آینده محسوب می گردد. این سه ضلعی فناوری، شامل رایانش کوانتومی، هوش مصنوعی و رایانش اَبری (Cloud Computing) می گردد. به نوعی می توان گفت هر سه حوزه یادشده با یکدیگر مرتبط هستند و پیشرفت در یکی از آن ها می تواند دیگری را درگیر کند.

به عنوان مثال، کوانتوم می تواند یک تغییردهنده بازی برای هوش مصنوعی (AI) باشد. شکی نیست که هوش مصنوعی و به طور خاص، یادگیری ماشین با استفاده از معماری کلاسیک محاسبات از پیشرفت های شگفت انگیزی برخوردار بوده اند؛ اما رایانش کوانتومی می تواند سرعت این پیشرفت را به طرز چشمگیری افزایش دهد. نسخه های کوانتومی الگوریتم های یادگیری ماشین فعلی (یا به احتمال زیاد، گزینه های کاملا جدید و بسیار سریع تر) قادر به انجام پردازش های هوش مصنوعی عظیم داده محور هستند که پردازش محاسبات با سرعت بسیار بیشتر را فراهم می کند.

آن ها قادر خواهند بود حجم خیره کننده ای از داده را کنترل و آن را در فضای عظیم کوانتومی ترسیم کنند. علاوه بر این، با بهره گیری از درهم تنیدگی کوانتومی می توان برای کشف الگوهای تازه ای استفاده کرد که با محاسبات کلاسیک امکان پذیر نخواهد بود. همچنین پردازش های اَبری بخشی اساسی از شرط بندی کوانتومی IBM را تشکیل داده است. به طور کلی، پیشرفت رایج کامپیوترهای کلاسیک انتقال از عظیم رایانه ها به مینی کامپیوترها و درنهایت، شکل گیری رایانه شخصی مربوط می گردد.

در دهه 1950 مردم فقط در اتاق های عظیم مجهز به سیستم تهویه مناسب، به کامپیوترهای غول آسا دسترسی داشتند. در اواخر دهه 70 تا 80 میلادی، مردم به واسطه انقلاب ریزرایانه ها در خانه های خود از وجود کامپیوتر بهره مند شدند و تا دهه 90 مردم از لپ تاپ هایی بهره می بردند که می توانستند آن را در کیف خود حمل کنند. اکنون ما رایانه هایی به شکل گوشی هوشمند در جیب خود حمل می کنیم که هزاران برابر از کامپیوترهای اولیه سریع تر هستند. رئیس سخت افزار IBM در این باره می گوید:

بعید به نظر می رسد که کامپیوتر کوانتومی با توجه به شرایط مورد احتیاج مانند سیستم خنک کننده قوی، همان تغییر فرم و عمومی شدن کامپیوتر کلاسیک را تجربه کند. از نظر داشتن یک کامپیوتر کوانتومی فیزیکی روی میز کاربران ممکن است اشتباه کنم؛ اما برای من روشن نیست که چنین خواهد شد. بیشترِ سیستم های کوانتومی چه یک سیستم ابررسانا باشد و چه یون های محبوس شده، به سطح بالایی از انسجام کوانتومی احتیاج خواهند داشت. همچنین برای نگه داری از آن ها به زیرساخت مناسبی احتیاج خواهد بود؛ به خصوص هنگامی که مقیاس را افزایش دهید.

این دقیقا جایی است که رایانش اَبری به عنوان عنصری دیگر وارد میدان می گردد. رایانش ابری به این معنی است که کاربران بدون درنظرگرفتن سخت افزار فیزیکی، به قابلیت های اَبَرکامپیوترها دسترسی خواهند داشت. چو می گوید:

قدرت محاسبات یا ذخیره سازی دیگر مانند 20 سال پیش به سخت افزار روی میز شما محدود نمی گردد. امروزه کارهای زیادی با استفاده از رایانش ابری انجام می گردد و مردم حتی متوجه آن نمی شوند. مردم چند بار متوجه می شوند که چه چیزی در لپ تاپ یا گوشی آن ها پردازش می گردد یا نمی گردد؟ به این ترتیب پردازش های اَبری و کوانتومی در راستای یکدیگر قرار خواهند گرفت.

در ماه می 2016 (اردیبهشت 1395)، IBM پلتفرم کوانتوم اَبری IBM Quantum Experience مجهز به یک پردازنده کوانتومی پنج کیوبیتی و شبیه ساز تطبیقی را راه اندازی کرد که در آن کیوبیت ها به شکل یک ستاره به یکدیگر متصل شده بودند. به دنبال آن کوانتوم کامپوزر با مجموعه محدودی از گیت های دو کیوبیتی برای فعالیت کاربران و یک راهنمای کاربری منتشر شد که برای استفاده از آن احتیاج به پیش زمینه ای در جبر خطی بود.

این پلتفرم به کاربران امکان می دهد آزمایش های خود را روی یک سیستم رایانه ای کوانتومی انجام دهند. تا به امروز IBM بالغ بر 32 پردازنده کوانتومی را برای پردازش اَبری مستقر کرده است و بیش از 280 هزار کاربر را در سراسر جهان میزبانی می کند. به عبارتی دیگر، با پیشرفت روزافزون سخت افزار کامپیوتر کوانتومی، کاربران می توانند با استفاده از سرویس های مبتنی بر کلاد از آن بهره مند شوند. چو می گوید:

شما با مسائلی رو به رو خواهید شد که به طور طبیعی با استفاده از بهترین تکنیک هایی که در رایانه های سنتی می شناسیم حل می شوند؛ اما برخی مسائل وجود دارد که حل آن ها حتی با سیستم های محاسباتی پیشرفته امروزی نیز بسیار پیچیده و ناممکن به نظر می رسد؛ درحالی که این مسائل ممکن است برای رایانه های کوانتومی بسیار ساده باشد. نه، شما به زودی نرم افزار اکسل خود را روی کامپیوتر کوانتومی اجرا نمی کنید؛ زیرا کامپیوترهای کلاسیک می توانند اکسل را به خوبی اجرا کنند؛ اما بخش هایی از جمله رمزگذاری، یادگیری ماشین و... قطعا می توانند از قابلیت های کوانتومی بهره بگیرند.

با استفاده از پردازش کوانتومی می توان امید داشت که در سال های آینده، به موفقیت هایی از جمله پنل خورشیدی کارآمدتر، باتری با ظرفیت بیشتر یا تولید کود با انرژی کم و نمونه های غیر منتظره جالب تر دست یافت. به عنوان مثال جیمز ووتون، یکی از مهندسان IBM، از رایانش کوانتومی برای تولید زمین های تصادفی در گیمینگ استفاده می کند. آیا تا به حال بازی کامپیوتری دیده اید که در هر بار اجرا، به شکل غیر قابل تصوری کاملا خود را تغییر بدهد؟ پاسخ، قدرت کوانتوم است. چو اذعان می کند که می توان از ترکیب مدل محاسبات کوانتومی مبتنی بر کلاد و کامپیوتر کلاسیک استفاده کرد. او در این باره می گوید:

[فرض کنید] با مشکل کاری روبرو شده اید که برای حل آن به یک کامپیوتر احتیاج خواهید داشت. قسمتی از پردازش اطلاعات به صورت هیبریدی می تواند به یک رایانه کلاسیک و سایر قسمت ها به یک رایانه کوانتومی منتقل گردد و در نهایت با ترکیب این دو، راه حل ارائه می گردد. این چشم اندازی است که می توانید آن را برای آینده تصور کنید. کوانتوم جایگزینی برای رایانه کلاسیک نیست؛ اما مطمئنا به یکدیگر نزدیک خواهند شد.

IBM مشخص نکرده است که دقیقا کامپیوتر یک میلیون کیوبیتی را چه زمانی به بهره برداری خواهد رساند. همچنین شرکت مذکور هنوز بازه زمانی مشخصی برای یخچال Goldeneye در نظر نگرفته؛ اما این اعتقاد به وضوح وجود دارد که محاسبات کوانتومی تغییردهنده آینده صنایع و انقلاب بعدی پردازش محاسباتی خواهند بود. در پستی که اوایل سال جاری برای وبلاگ IBM نوشته شد، جی گمبتا، عضو و معاون رئیس محاسبات کوانتومی IBM، نسل بعدی رایانه های کوانتومی این شرکت را به مأموریت فضاپیمای آپولو که منجر به فرود آمدن روی ماه شد، تشبیه کرد.

با این اوصاف غول های تکنولوژی مانند اینتل و IBM و گوگل و... برای دستیابی به برتری کوانتومی، به سختی در حال رقابت هستند؛ زیرا بر این باورند که این فناوری آینده صنعت را شکل خواهد داد و ظاهرا صبر کردن برای تکنولوژی ارزشش را خواهد داشت.