از زمان ارائه طرح مفهومی Charles Babbage با عنوان “موتور تحلیل‌گر” در دهه ۱۸۳۰ میلادی (که البته هیچ‌گاه به واقعیت نینجامید)، متخصصان علوم رایانه‌ای همواره در تلاش بوده‌اند تا از زمان خود جلوتر باشد. در این راستا، در ۷۵ سال گذشته توسعه مستمر در این زمینه در دست اجرا بوده تا اولین رایانه الکترونیکی قابل برنامه‌ریزی، اولین رایانه مدار مجتمع و اولین ریزپردازنده‌ها را در این حوزه شاهد باشیم. با این وجود، گام بعدی در علوم رایانه‌ای، می‌تواند انقلابی‌ترین آن‌ها باشد.
محاسبات کوانتومی از نگاه تئوری
محاسبات و پردازش کوانتومی، تکنولوژی به حساب می‌آید که اکثر محققان، کارآفرینان و کسب و کارهای بزرگ انتظار دارند تا جهشی بزرگ در آینده رایانه‌ها ایجاد کند.
محاسبات کوانتومی، مفهومی تقریبا جدید به نظر می‌رسد که تاریخچه آن به ایده‌های ارائه شده در دهه ۱۹۸۰ میلادی توسط Richard Feynman فیزیکدان برجسته و برنده جایزه نوبل باز می‌گردد. او احتمال‌های موجود در زمینه بهبود سرعت پردازش و در نهایت، رسیدن به رایانه‌های کوانتومی را مورد بررسی قرار داده بود اما تحلیل‌های تئوریک او، اگرچه گامی الزامی برای رسیدن به هدف به حساب می‌‌آمدند اما به تنهایی نمی‌توانستند عملی شدن این ایده را امکان‌پذیر سازند.
با این توضیحات، بدنیست نگاهی داشته باشیم به روند اجرایی شدن محاسبات کوانتومی و یا به زبان ساده‌تر، بررسی تحقق یافتن امکان استفاده از رایانه‌های کوانتومی اما پیش از آن، اشاره‌ای کوتاه خواهیم داشت به عملکرد رایانه‌های کوانتومی و تفاوت آن‌ها با رایانه‌های معمولی.
در رایانه‌های معمولی یا همان کلاسیک، تنها دو گزینه خاموش و روشن برای پردازش اطلاعات وجود دارد. همان‌طور که می‌دانید، یک “بیت” رایانه‌ای، کوچک‌ترین واحد مرتبط با ذخیره اطلاعات است که در آن مقادیر”۱” یا “۰” نگهداری می‌شود. این در حالی است که توان محاسباتی رایانه‌های معمولی، وابسته به تعداد ترانزیستورهای باینری موجود در ریزپردازنده‌های آن است. بدنیست بدانید در سال ۱۹۷۱، پردازنده تولیدی شرکت اینتل، چیزی در حدود ۲۳۰۰ ترانزیستور در خود جای داده بود اما این رقم اکنون به ۵ میلیارد ترانزیستور رسیده است. با این وجود، این سخت‌افزارها همچنان به واسطه بهره‌مندی از گزینه‌های ذخیره‌سازی ساده باینری، محدود هستند.
در طرف مقابل، رایانه‌های کوانتومی محدودیت کم‌تری در زمینه بیت‌ها (یا به بیان دقیق‌تر، کیوبیت‌ها دارند). با توجه به بهره‌گیری از فرایند برهم نهی در رایانه‌های کوانتومی، کیوبیت‌ها می‌توانند مقادر ۰ یا ۱ و یا ۰و۱ را در خود جای دهند. موضوعی که در نهایت به افزایش توان محاسباتی رایانه‌های کوانتومی منجر خواهد شد.
محاسبات کوانتومی در مقام عمل
در حال حاضر، آزمایشگاهی در Burnaby ونکوور که متعلق به شرکت D-Wave است با به‌کارگری چیزی در حدود ۱۴۰ نیروی متخصص در حال کار روی اولین رایانه کوانتومی کاربردی جهان است که ظاهری مانند یک یخچال با ارتفاع ۱۰ فوت داشته و البته عملکرد تراشه‌ها را نیز در دمایی زیر ۲۷۳- درجه سانتی‌گراد امکان‌پذیر می‌سازد. این دمای پایین، مشخصه‌ای ضروری برای فعالیت‌های کوانتومی برهم‌نهاده شده‌ای است که در آن ذرات مختلف به تعامل با یکدیگر می‌پردازند. این در حالی است که نفوذ هر گونه گرما یا نور می‌تواند فرایندهای موجود و در نتیجه، عملکرد موثر رایانه‌ها را با مشکل مواجه کند.
اینکه چرا و چگونه، فیزیک کوانتوم این قانون‌های علمی-تخیلی را پیاده‌سازی می‌کند جای بحث بیشتر دارد اما متداول‌ترین تئوری آن است که وضعیت‌های کوانتومی متفاوت، در جهان‌های متفاوتی هم وجود دارند. از این موضوع که بگذریم، بدنیست بدانید رایانه کوانتومی شرکت D-Wave از هزار کیوبیت بهره‌مند شده است.
Vern Brownell، مدیرعامل شرکت D-Wave در این خصوص می‌گوید:
” رایانه‌ای مجهز به هزار کیوبیت می‌تواند در یک زمان واحد، در ۲ تا ۱۰۰۰ وضعیت قرارگیرد.”
آینده اینجاست! عکسی از پردازنده کامپیوترهای کوانتومی D-Wave
با این وجود، در حال حاضر محاسبات کوانتومی همچنان در قلمرویی کاملا تئوری‌وار و همراه با تردید قرار داد. به بیان بهتر، پتانسیل این نوع محاسبات، بسیار بالا بوده اما به کارگیری آن، به همان اندازه دشوار خواهد بود. شاید به همین دلیل هم رایانه ۲X شرکت D-Wave از قیمت ۱۵ میلیون دلاری بهره‌مند شده که خرید آن‌را تنها برای شرکت‌های محدودی امکان‌پذیر می‌سازد.
بررسی عملکرد محاسبات کوانتومی در گذر زمان
D-Wave اولین دستگاه ۱۶ کیوبیتی خود را در سال ۲۰۰۷ میلادی در معرض نمایش قرارداد. این دستگاه توانایی حل معماهای سودوکویی ساده را داشت اما دانشمندان آنچنان که باید و شاید از عملکرد این دستگاه تحت تاثیر قرار نگرفتند. به عنوان مثال، Umesh Vazirani در مطلبی که در زمینه تئوری محاسبات کوانتومی به رشته تحریر درآورده بود با رد ادعای شرکت D-Wave مبنی بر افزایش توان محاسباتی در پرتو رایانه‌های کوانتومی، در نتیجه عدم توجه به روند مورد استفاده در محصول این شرکت، عنوان داشته بود حتی در صورت تبدیل این محصول به یک رایانه کوانتومی واقعی و یا در صورتی که ابعاد اجرایی به بهره‌گیری از هزاران کیوبیت برسد، قدرتی فراتر از یک گوشی همراه را شاهد نخواهیم بود. در سال ۲۰۱۳ میلادی، D-Wave Two توانست محاسبات را ۳۶۰۰ بار سریع‌تر از رایانه‌ها معمولی انجام دهد اما بازهم برخی محققان، منکر بهبود سرعت پردازش با بهره‌گیری از محاسبات کوانتومی شدند. در سال ۲۰۱۴ میلادی ماتیاس ترویر، پروفسور فعال در زمینه فیزیک محاسباتی در گزارشی مدعی شد هیچ مدرکی دال بر امکان افزایش سرعت در پرتو استفاده از راهکارهای کوانتومی وجود ندارد.
این در حالی است که در سال گذشته بازهم تست‌های مقایسه‌ای شرکت گوگل، از امکان پردازش اطلاعات توسط رایانه کوانتومی D-Wave با سرعتی ۱۰۰ برابر سریع‌تر از رایانه‌های کلاسیک خبر دادند.
بدون شک، یکی از مزایای انکار و اصرارهای چندین و چندباره در طول زمان‌های متفاوت، فراهم شدن بستر برای درک بهتر قابلیت‌های رایانه‌های کوانتومی است.
آینده و کاربردهای احتمالی پردازش کوانتومی
Brownell از “بهینه‌سازی” پردازش به عنوان بهترین راهکار ارائه شده در قالب بهره‌گیری از پردازش‌های کوانتومی یاد می‌کند. او معتقد است حوزه‌هایی مانند هوش مصنوعی می‌توانند بهترین بهره را از افزایش سرعت محاسبات ببرند. در مثال ذکر شده توسط او به این نکته اشاره شده که تشخیص یک بطری آب از سوی رایانه به زمان بیشتری در مقایسه با تشخیص آن از سوی انسان نیاز دارد اما با فراهم شدن پردازش کوانتومی، این فرایند به مراتب سرعت بالاتری به خود خواهد گرفت.
او از ژنتیک، اقتصاد و پزشکی به عنوان حوزه‌هایی که با مشکلات مختلفی در زمینه “بهینه‌سازی” داده‌ها دست به گریبان هستند یاد می‌کند.
Brownell معتقد است دیدگاه D-Wave ایجاد تحولی سبز در زمینه محاسبات است که در آن تمامی افراد از طریق سرویس‌های ابری، به رایانه‌های کوانتومی با مصرف بهینه انرژی دسترسی خواهند داشت. او معتقد است در طول چند سال آینده، امکان دسترسی به رایانه‌های کوانتومی از طریق گوشی‌های هوشمند نیز فراهم خواهد شد. او در این زمینه می‌گوید:
” من معتقدم ما این شانس را داریم تا یکی از با ارزش‌ترین شرکت‌های حوزه تکنولوژی تاریخ بشر را توسعه دهیم. ما در جایگاهی هستیم که برای دهه‌های متمادی، بازیگر کلیدی در حوزه محاسبات کوانتومی خواهیم بود.”
با تمامی این وجود، باید اعتراف کرد بشر هنوز به رایانه کوانتومی نیاز دارد که در مقام عمل بتواند آن را به کار گیرد.
منبع: آي تی ایران