دیروز خبر ساخته شدن چیپ محاسباتی کوانتومی Google Willow رو مطالعه کردم و جدای از اینکه واقعا حال کردم با کلیت انجام چنین کاری، تصمیم گرفتم تا کمی بهتر با خود کامپیوترهای کوانتومی آشنا بشم. یه مقاله بسیار کاربردی رو از IBM خوندم و تصمیم گرفتم تا اون رو به فارسی ترجمه کنم. (البته من هیچوقت کلمه به کلمه ترجمه نمی‌کنم و بیشتر سعی دارم تا مطلب رو به زبان ساده بازنویسی کنم).

اگه حوصله خوندن متن‌های طولانی رو ندارید می‌تونید ویدیویی که در ادامه می‌بینید رو مشاهده کنید.

---

محاسبات یا کامپیوتینگ‌های کوانتمی یکی از برجسته‌ترین حوزه‌های فعلی دنیای کامپیوتر به حساب می‌آید و با قدرت‌گیری از علم کوانتم مکانیک، می‌تواند خیلی سریع‌تر و قدرتمند‌تر از کامپیوترهای حال حاضر و سوپرکامپیوترها عمل کند. در واقع حل کردن مسائل و الگوریتم‌هایی که برای یه کامپیوتر عادی می‌تواند سال‌ها طول بکشد، برای یک کامپیوتر کوانتمی تنها چند دقیقه زمان‌بر خواهد بود.

مطالعه ذرات زیراتمی (subatomic particles) که همان مکانیک کوانتوم است، به مهندسان و دانشمندان علوم کامپیوتر این امکان را داده است که با بهره‌گیری از قدرت و منطق اصول این علم، دنیای احتمالات و پردازش‌های کامپیوتری را متحول کنند.

۴ اصل اساسی در مکانیک کوانتمی

برای درک کامپیوترهای کوانتمی نیاز هست که ابتدا با اصول اصلی مکانیک کوانتمی آشنایی پیدا کنید.

اصل اول: ابرپوشانی یا Superposition به وضعیتی در ذرات کوانتمی اطلاق می‌شود که در آن نه فقط یک احتمال بلکه ترکیبی از چندین احتمال ارائه می‌شود. به عبارت دیگر، در دنیای کوانتومی، یک ذره می‌تواند در مکان‌ها و حالت‌های مختلف همزمان وجود داشته باشد. این حالت‌های مختلف می‌توانند شامل موقعیت، انرژی، اسپین، و سایر ویژگی‌های کوانتومی باشند. هنگامی که اندازه‌گیری انجام می‌شود، ابرپوشانی فرو می‌ریزد و ذره به یک حالت خاص دست می‌یابد.

اصل دوم: درهم‌تنیدگی یا Entanglement به این معناست که وضعیت یک ذره کوانتومی نمی‌تواند به صورت مستقل از وضعیت ذره دیگر توصیف شود، حتی اگر این ذرات از هم فاصله زیادی داشته باشند. تصور کنید دو دوست نامرئی دارید که همیشه با هم ارتباط دارند، حتی اگر در دو سوی دنیا باشند. هر چیزی که برای یکی از آن‌ها اتفاق بیفتد، دیگری هم بلافاصله احساس می‌کند. این همان چیزی است که در درهم‌تنیدگی کوانتومی رخ می‌دهد.

اصل سوم: تضعیف کوانتومی یا Decoherence به فرایندی اشاره دارد که در آن سیستم‌های کوانتومی با محیط پیرامون خود تعامل می‌کنند و خواص کوانتومی خود را از دست می‌دهند و به یک وضعیت تکین می‌رسند. در این حالت، سیستم کوانتومی به تدریج از حالت‌های احتمالاتی به حالت‌های کلاسیکی تبدیل می‌شود. به عبارت دیگر، تضعیف کوانتومی به معنای از دست دادن ویژگی‌های خاص کوانتومی، مانند ابرپوشانی و درهم‌تنیدگی، به دلیل تعامل با محیط است.

اصل چهارم: تداخل یا Interference در مکانیک کوانتومی به پدیده‌ای اشاره دارد که در آن امواج کوانتومی با یکدیگر تداخل می‌کنند، مانند امواج در فیزیک کلاسیک. این پدیده به خوبی توضیح‌دهنده رفتارهای خاص ذرات کوانتومی است. با استفاده از تداخل، یک کامپیوتر کوانتومی می‌تواند چندین مسیر محاسباتی را به صورت همزمان بررسی کند و به سرعت به نتایج درست دست یابد.

کیوبیت یا Qubit چیست؟

به‌طور کلی، کیوبیت‌ها با دستکاری و اندازه‌گیری ذرات کوانتمی (کوچک‌ترین اجزاء شناخته شده جهان) مانند فوتون‌ها، الکترون‌ها، یون‌های به‌دام افتاده و اتم‌ها ساخته می‌شوند. کیوبیت‌ها همچنین توانایی مهندسی و دستکاری سیستم‌ها را دارند تا به مانند ذرات کوانتمی در مدارهای ابررسانا (این مدارها از موادی ساخته شده‌اند که در دماهای بسیار پایین خاصیت ابررسانایی پیدا می‌کنند) عمل کنند.

برای دستکاری چنین ذراتی، کیوبیت‌ها باید در دماهای بسیار پایین نگهداری شوند تا نویز را به حداقل برسانند و از ارائه نتایج نادرست یا خطاهای ناشی از تضعیف ناخواسته جلوگیری کنند.

انواع مختلفی از کیوبیت‌ها در محاسبات و پردازش‌های کوانتومی امروزه استفاده می‌شوند که برخی از آن‌ها برای موارد استفاده مختلفی مفید هستند:

• کیوبیت‌های ابررسانا: از مواد ابررسانا که در دماهای بسیار پایین عمل می‌کنند ساخته شده‌اند. این کیوبیت‌ها به خاطر سرعت بالا در انجام محاسبات و کنترل دقیق مشهور هستند.
• کیوبیت‌های یون به دام افتاده: یون‌های به دام افتاده نیز می‌توانند به عنوان کیوبیت استفاده شوند و به خاطر زمان‌های طولانی همدوسی (Coherence) و اندازه‌گیری‌های با دقت بالا معروف هستند.
• نقاط کوانتومی: نقاط کوانتومی نیمه‌هادی‌های کوچکی هستند که یک الکترون را به دام می‌اندازند و از آن به عنوان کیوبیت استفاده می‌کنند. این نقاط پتانسیل بالایی برای مقیاس‌پذیری و سازگاری با فناوری‌های نیمه‌هادی موجود دارند.
• فوتون‌ها: فوتون‌ها ذرات نور فردی هستند که برای ارسال اطلاعات کوانتومی در مسافت‌های طولانی از طریق کابل‌های فیبر نوری استفاده می‌شوند و در حال حاضر در ارتباطات کوانتومی و رمزنگاری کوانتومی استفاده می‌شوند.
• اتم‌های خنثی: اتم‌های خنثی معمولی که با لیزر شارژ شده‌اند برای مقیاس‌پذیری و انجام عملیات‌ها مناسب هستند.

وقتی با مسائلی پیچیده مانند فاکتورگیری اعداد بزرگ سروکار داریم، بیت‌های کلاسیک ممکن است با حجم بالای اطلاعاتی که باید ذخیره و پردازش کنند، غرق شوند. اما کیوبیت‌ها (بیت‌های کوانتومی) از مزیت منحصر به فردی برخوردارند. به دلیل توانایی آن‌ها در وجود همزمان در چندین حالت (خاصیت ابرپوشانی)، کیوبیت‌ها به کامپیوترهای کوانتومی این امکان را می‌دهند که همزمان چندین راه‌حل را بررسی کنند. این ویژگی به کامپیوترهای کوانتومی اجازه می‌دهد تا مسائل را به روش‌هایی کاملاً متفاوت و بالقوه کارآمدتر نسبت به کامپیوترهای کلاسیک حل کنند.

به‌عنوان یک تشبیه مفید برای درک چگونگی استفاده کامپیوترهای کوانتومی از کیوبیت‌ها برای حل مسائل پیچیده، تصور کنید که شما در مرکز یک ماز پیچیده ایستاده‌اید. برای خروج از ماز، یک کامپیوتر سنتی باید با استفاده از روش «brute force»، تمام ترکیب‌های ممکن مسیرها را امتحان کند تا خروجی را پیدا کند. این نوع کامپیوتر از بیت‌ها برای کشف مسیرهای جدید و یادآوری اینکه کدام مسیرها بن‌بست هستند استفاده می‌کند.

در مقابل، کامپیوترهای کوانتومی با استفاده از کیوبیت‌ها و خاصیت ابرپوشانی می‌توانند به طور همزمان چندین مسیر را بررسی کنند و سریع‌تر به راه‌حل بهینه دست یابند. به همین دلیل است که کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند مسائل پیچیده را با کارایی بسیار بیشتری حل کنند.

اگر بخواهیم مقایسه‌ای انجام دهیم، یک کامپیوتر کوانتومی مانند پرنده‌ای از بالا به ماز نگاه کرده و به‌صورت همزمان چندین مسیر را آزموده و با استفاده از تداخل کوانتومی، راه‌حل صحیح را پیدا می‌کند. با این حال، کیوبیت‌ها به طور مستقیم چندین مسیر را امتحان نمی‌کنند؛ در عوض، کامپیوترهای کوانتومی amplitudeهای احتمالات کیوبیت‌ها را برای تعیین نتیجه اندازه‌گیری می‌کنند. amplitude در مکانیک کوانتومی به مقدار یا شدت احتمالات مرتبط با حالات کوانتومی کیوبیت‌ها اشاره دارد. در واقع، amplitudeها به نوعی بیانگر میزان احتمال وقوع یک حالت خاص هستند.

۴ اصل مکانیک کوانتمی در کامپیوترها

حال که با مفاهیم بنیادی آشنا شدید بیایید به ۴ اصلی که پیشتر بررسی کردیم در دنیای کامپیوتر‌های کوانتمی نگاه کنیم.

ابرپوشانی (Superposition)

ابرپوشانی به کامپیوترهای کوانتومی اجازه می‌دهد تا اطلاعات را به صورت موازی پردازش کنند. در یک کامپیوتر کلاسیک، هر بیت می‌تواند تنها در یکی از دو حالت ۰ یا ۱ باشد. اما در کامپیوترهای کوانتومی، کیوبیت‌ها می‌توانند در حالت‌های ۰ و ۱ به طور همزمان باشند، که به این ترتیب کامپیوتر می‌تواند چندین محاسبه را به صورت همزمان انجام دهد. این ویژگی به شدت سرعت پردازش را افزایش می‌دهد.

درهم‌تنیدگی (Entanglement)

درهم‌تنیدگی به کیوبیت‌ها این امکان را می‌دهد که به شکلی وابسته با هم باشند، حتی اگر فاصله زیادی بین آن‌ها باشد. این ارتباط قوی به کامپیوترهای کوانتومی اجازه می‌دهد تا اطلاعات را به صورت بسیار سریع و با استفاده از همبستگی بین کیوبیت‌ها پردازش کنند. این خاصیت در الگوریتم‌های کوانتومی مانند الگوریتم شور برای فاکتورگیری عددی و الگوریتم گروور برای جستجوی پایگاه داده بسیار مؤثر است.

تضعیف کوانتومی (Decoherence)

تضعیف کوانتومی یک چالش بزرگ در طراحی و بهره‌برداری از کامپیوترهای کوانتومی است. مهندسان باید تکنیک‌هایی را توسعه دهند که از تضعیف جلوگیری کرده یا آن را به حداقل برسانند. روش‌های مختلفی مانند اصلاح خطاهای کوانتومی و استفاده از محیط‌های بسیار سرد برای کاهش تضعیف به کار می‌روند. این کار به منظور حفظ خواص کوانتومی کیوبیت‌ها برای مدت زمان طولانی‌تر است.

تداخل (Interference)

تداخل به کامپیوترهای کوانتومی اجازه می‌دهد تا با ترکیب حالت‌های مختلف کیوبیت‌ها، راه‌حل‌های بهینه را پیدا کنند. این اصل در الگوریتم‌های کوانتومی برای پیدا کردن پاسخ‌های بهینه در مسائل پیچیده مانند بهینه‌سازی و مسیریابی به کار می‌رود. با استفاده از تداخل، کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند مسیریابی در شبکه‌ها یا بهینه‌سازی مسائل ریاضی را با سرعت بسیار بالاتری نسبت به کامپیوترهای کلاسیک انجام دهند.

چگونگی کارکرد اصول با هم

برای فهمیدن محاسبات کوانتومی، ابتدا باید به این قناعت برسیم که، دو ایده متناقض می‌توانند همزمان درست باشند (در کامپیوترهای کنونی ما چنین حالتی وجود ندارد. در هر حالت یک ایده یا می‌تواند صفر باشد یا یک). اول این که کیوبیت‌ها در حالت ابرپوشانی رفتار تصادفی دارند. دوم این که کیوبیت‌های درهم‌تنیده با وجود فاصله زیاد می‌توانند رفتارهای همزمان و مرتبط داشته باشند.

در کامپیوتر کوانتومی، محاسبه با آماده‌سازی حالت‌های ابرپوشانی شروع می‌شود. سپس یک مدار کوانتومی که توسط کاربر آماده شده است، از عملیات‌هایی برای ایجاد درهم‌تنیدگی استفاده می‌کند. این باعث تداخل بین حالت‌های مختلف می‌شود. بسیاری از نتایج ممکن از بین می‌روند و تنها نتایج تقویت‌شده باقی می‌مانند که راه‌حل‌های محاسبه هستند.

یک مثال:

تصور کنید که شما یک جعبه جادویی دارید که هر بار که آن را باز می‌کنید، یک ترکیب متفاوت از خوراکی‌ها در داخل آن ظاهر می‌شود.

کیوبیت‌ها (ابرپوشانی): مثل این است که هر آب‌نبات می‌تواند همزمان هم شیرین و هم ترش باشد. این خاصیت به کیوبیت‌ها اجازه می‌دهد که به طور همزمان چندین حالت را نشان دهند، مانند اینکه بتوانید همزمان در چندین مسیر مختلف حرکت کنید.

کیوبیت‌های درهم‌تنیده (درهم‌تنیدگی): حالا تصور کنید که اگر دو آب‌نبات داشته باشید و هر بار که یکی را می‌چشید، طعم دیگری بلافاصله تغییر می‌کند تا با طعم اولی همخوانی داشته باشد، حتی اگر دو آب‌نبات در دو جعبه‌ی مختلف باشند. این شبیه به کیوبیت‌های درهم‌تنیده است که تغییر در یکی از آن‌ها بلافاصله بر دیگری تأثیر می‌گذارد.

تداخل: هر بار که جعبه را باز می‌کنید، برخی از ترکیبات خوراکی به طور خودکار حذف می‌شوند و تنها ترکیباتی که با هم سازگار هستند باقی می‌مانند. این تداخل کوانتومی است که باعث می‌شود نتایج نادرست حذف شوند و تنها نتایج درست باقی بمانند.

تضعیف کوانتومی: اگر جعبه جادویی شما در محیطی شلوغ و پر از نویز باشد، ممکن است نتواند به درستی کار کند و ترکیبات نادرستی نشان دهد. برای اینکه جعبه جادویی به درستی کار کند، باید آن را در محیطی آرام و کنترل‌شده نگه دارید. این شبیه به تضعیف کوانتومی است که باید کنترل شود تا کیوبیت‌ها خواص کوانتومی خود را حفظ کنند.

کاربردهای کامپیوترهای کوانتمی

کامپیوترهای کوانتومی در حل برخی از مسائل پیچیده عملکرد بسیار خوبی دارند و می‌توانند سرعت پردازش مجموعه داده‌های بزرگ را افزایش دهند. از توسعه داروهای جدید و انجام یادگیری ماشین به روش‌های جدید گرفته تا بهینه‌سازی زنجیره تأمین و چالش‌های تغییرات اقلیمی، رایانش کوانتومی می‌تواند کلید پیشرفت‌های عمده در تعدادی از صنایع حیاتی باشد.

در صنعت داروسازی، کامپیوترهای کوانتومی که قادر به شبیه‌سازی رفتار مولکولی و واکنش‌های بیوشیمیایی هستند، می‌توانند به طور گسترده‌ای در تحقیق و توسعه داروهای جدید نجات‌بخش و درمان‌های پزشکی مؤثر باشند.

در صنعت شیمی، این تکنولوژی ممکن است راه‌حل‌های ناشناخته‌ای برای کاهش محصولات جانبی شیمیایی خطرناک یا مخرب ارائه دهد. محاسبات کوانتومی می‌تواند منجر به بهبود کاتالیزورهایی شود که امکان استفاده از جایگزین‌های پتروشیمیایی را فراهم می‌کنند یا فرآیندهای بهتری برای تجزیه کربن که برای مقابله با انتشار گازهای تهدیدکننده اقلیم لازم است، ارائه دهند.

در صنعت یادگیری ماشین با افزایش علاقه و سرمایه‌گذاری در هوش مصنوعی (AI) و زمینه‌های مرتبط مانند یادگیری ماشین، محققان مدل‌های AI مرزهای سخت‌افزارهای موجود را آزمایش کرده‌اند و نیاز به مصرف انرژی زیادی دارند. شواهدی وجود دارد که برخی الگوریتم‌های کوانتومی ممکن است بتوانند به دیتاست‌ها به روشی جدید نگاه کنند و برای برخی مسائل یادگیری ماشین، سرعت پردازش را افزایش دهند.

کاربردهای مضر کامپیوترهای کوانتمی

در حالی که رایانش کوانتومی پتانسیل عظیمی برای بهبود بسیاری از جنبه‌های زندگی بشر دارد، اما استفاده‌های نادرست و مضر نیز می‌تواند به وجود بیاید.

• شکستن رمزنگاری: یکی از نگرانی‌های بزرگ این است که کامپیوترهای کوانتومی قادر خواهند بود بسیاری از سیستم‌های رمزنگاری فعلی را بشکنند. این می‌تواند به دسترسی غیرمجاز به اطلاعات حساس منجر شود.
• استفاده‌های نظامی و جنگ الکترونیکی: قدرت پردازش بالا می‌تواند برای توسعه فناوری‌های پیچیده جنگ الکترونیکی استفاده شود که می‌تواند به تشدید درگیری‌ها و تهدیدات امنیتی منجر شود.
• پیش‌بینی و مانیتورینگ و کنترل و نظارت بیش از حد: پردازش‌های کوانتومی می‌تواند ابزارهای قدرتمندی برای نظارت و پیگیری گسترده افراد فراهم کند، که ممکن است به نقض حریم خصوصی و آزادی‌های فردی منجر شود.

---

اجزای کامپیوترهای کوانتومی

یک پردازنده کوانتومی IBM یک وَیفر است (یک دیسک نازک و دایره‌ای شکل است که از مواد نیمه‌رسانا، عمدتاً سیلیکون، ساخته شده) که چندان بزرگتر از تراشه‌های سیلیکونی موجود در لپ‌تاپ‌ها نیست. با این حال، سیستم‌های سخت‌افزاری کوانتومی مدرن، که برای نگهداری ابزارها در دمای بسیار پایین استفاده می‌شوند به همراه قطعات الکترونیکی اضافی آن، به اندازه یک خودروی متوسط هستند.

در حالی که اندازه بزرگ سیستم‌های کامل سخت‌افزاری کوانتومی باعث می‌شود بیشتر کامپیوترهای کوانتومی قابل حمل نباشند، محققان و دانشمندان کامپیوتر هنوز قادر به دسترسی به قابلیت‌های رایانش کوانتومی خارج از سایت از طریق رایانش ابری هستند. اجزای اصلی سخت‌افزار یک کامپیوتر کوانتومی به شرح زیر هستند:

پردازنده‌های کوانتومی

پردازنده‌های کوانتومی که از کیوبیت‌ها در پیکربندی‌های مختلف برای ارتباطات تشکیل شده‌اند، به عنوان مغز کامپیوتر کوانتومی عمل می‌کنند. این چیپ‌های کوانتومی که به عنوان صفحه داده کوانتومی نیز شناخته می‌شوند، عملکرد اصلی کامپیوتر کوانتومی را بر عهده دارند.

به عنوان جزء اصلی در یک کامپیوتر کوانتومی، پردازنده کوانتومی شامل کیوبیت‌های فیزیکی سیستم و ساختارهایی است که برای نگه داشتن آن‌ها در جای خود لازم است. واحدهای پردازش کوانتومی (QPUs) شامل چیپ کوانتومی، الکترونیک‌های کنترلی و سخت‌افزارهای محاسبات کلاسیک مورد نیاز برای ورودی و خروجی می‌باشند.

ابررساناها

کامپیوتر رومیزی شما احتمالاً از یک فن برای خنک شدن استفاده می‌کند تا به درستی کار کند. پردازنده‌های کوانتومی نیاز دارند که بسیار سرد باشند «حدود یک صدم درجه بالاتر از صفر مطلق» تا نویز را به حداقل رسانده و از تضعیف کوانتومی جلوگیری کنند و حالت‌های کوانتومی خود را حفظ کنند. این دمای بسیار پایین با استفاده از مایعات فوق‌سرد به دست می‌آید. در این دماها، برخی مواد یک اثر مهم مکانیکی کوانتومی را نشان می‌دهند: الکترون‌ها بدون مقاومت از آن‌ها عبور می‌کنند. این اثر آن‌ها را به ابررسانا تبدیل می‌کند.

وقتی مواد به ابررسانا تبدیل می‌شوند، الکترون‌های آن‌ها به هم متصل شده و زوج‌های کوپر (پدیده‌ای در فیزیک کوانتومی که در آن دو الکترون با یکدیگر جفت می‌شوند) را تشکیل می‌دهند. این زوج‌ها می‌توانند بار را از طریق موانع یا عایق‌ها، از طریق فرآیندی به نام تونل‌زنی کوانتومی، حمل کنند. دو ابررسانا که در دو طرف یک عایق قرار داده شده‌اند، یک اتصال جوزفسون را تشکیل می‌دهند، که یکی از قطعات مهم سخت‌افزار رایانش کوانتومی است.

کنترل

کامپیوترهای کوانتومی از مدارهایی با خازن‌ها و اتصالات جوزفسون به عنوان کیوبیت‌های ابررسانا استفاده می‌کنند. با تاباندن فوتون‌های مایکروویو به این کیوبیت‌ها، می‌توانیم رفتار آن‌ها را کنترل کنیم و آن‌ها را وادار کنیم که واحدهای اطلاعات کوانتومی را نگه دارند، تغییر دهند و بخوانند.

نرم‌افزار کوانتومی

تحقیقات همچنان به بهبود اجزای سخت‌افزار کوانتومی ادامه می‌دهند، اما این تنها نیمی از معادله است. محور کشف کاربران از مزیت کوانتومی، یک پشته نرم‌افزاری بسیار کارآمد و پایدار خواهد بود که امکان نسل بعدی الگوریتم‌های کوانتومی را فراهم می‌کند.

در سال ۲۰۲۴، IBM اولین نسخه پایدار کیت توسعه نرم‌افزار متن‌باز Qiskit، یعنی Qiskit SDK 1.x را معرفی کرد. با بیش از ۶۰۰٬۰۰۰ کاربر ثبت‌شده و ۷۰۰ دانشگاه جهانی که از آن برای توسعه کلاس‌های محاسبات کوانتومی استفاده می‌کنند، Qiskit به پشته نرم‌افزاری محبوب برای رایانش کوانتومی تبدیل شده است.

اما Qiskit تنها نرم‌افزار توسعه کوانتومی محبوب جهان برای ساخت و ساخت مدارهای کوانتومی نیست. ما در حال بازتعریف Qiskit به عنوان پشته نرم‌افزاری کامل برای کوانتوم در IBM هستیم، و Qiskit SDK را با نرم‌افزار و خدمات میان‌افزاری برای نوشتن، بهینه‌سازی و اجرای برنامه‌ها بر روی سیستم‌های کوانتومی IBM گسترش می‌دهیم، که شامل ابزارهای جدید کمکی کدگذاری هوش مصنوعی Generative نیز می‌باشد.

---

برای مطالعه بیشتر راجع به چیستی کامپیوترهای کوانتمی و همچنین آشنایی با Willow پیشنهاد می‌کنم که این ویدیو رو نگاه کنید.