توضیح: مهندسی کوانتوم
مشکلات حل نشدنی در دستگاههای فعلی را میتوان با کامپیوترهای کوانتومی حل کرد و عصر طلایی توان محاسباتی را آغاز کرد.
کامپیوترهای قدیمی از دهه 1940 به سرعت پیشرفت کردند. امروزه میتوانید یک ساعت مچی با قدرت محاسبات بیشتر از کامپیوتری که پنجاه سال پیش سایز یک اتاق بود و جدیدترین تکنولوزی به حساب میآمد بخرید. این پیشرفتها اساسا از توانایی مهندسان برق در ساخت ترانزیستورها و مدارهای کوچکتر و فشرده سازی هرچه بیشتر آنها به یکدیگر محقق شده است.
اما این کوچکسازی در نهایت به یک محدودیت فیزیکی خواهد رسید – با نزدیک شدن وسایل الکترونیکی کامپیوتر به مقیاس اتمی، کنترل اجزای مجزا بدون تأثیر بر اجزای مجاور غیرممکن خواهد شد. کامپیوترهای قدیمی نمیتوانند با استفاده از مقیاس گذاری معمولی به طور نامحدود پیشرفت کنند.
ایده رایانش کوانتومی که در دهه 1980 ظهور کرد، ممکن است در نهایت به عصر جدیدی از محاسبات پرسرعت و قوی منجر شود. این فرآیند محاسبات پیچیدهای را انجام میدهد که برای رایانههای کلاسیک با استفاده از فرآیندهای مکانیکی کوانتومی امکانپذیر نیست. از نظر تئوری رایانش کوانتومی میتواند مسائلی را در چند دقیقه حل کند که انجام آن برای رایانههای قدیمی هزاران سال طول میکشد. گوگل قبلاً نشان داده است که برای برخی کارها، محاسبه کوانتومی میتواند از بهترین ابررایانههای دنیا بهتر عمل کند.
اما هنوز برای نتیجه گیری زود است – محاسبه کوانتومی باید تعدادی از موانع علمی و مهندسی را برطرف کند تا بتواند به طور قابل اعتماد مشکلات واقعی را حل کند. بیش از 100 محقق در سراسر MIT در حال کمک به گسترش فناوریهای مقدماتی لازم برای افزایش رایانش کوانتومی و تبدیل قابلیت آن به واقعیت هستند.
: مهندسان کامپیوتر MIT در تلاش هستند تا وعده رایانش کوانتومی را به واقعیت تبدیل کنند.
محاسبه کوانتومی چیست؟
کمک میکند که ابتدا اصول کامپیوترهای قدیمی را بفهمید، مانند کامپیوتری که برای خواندن این موضوع استفاده میکنید. کامپیوترهای قدیمی اطلاعات را در بیتهای دودویی ذخیره و پردازش میکنند که هر کدام دارای مقدار 0 یا 1 هستند. یک لپتاپ معمولی میتواند میلیاردها ترانزیستور داشته باشد که هر یک از این دو مقدار را با استفاده از سطوح مختلف ولتاژ الکتریکی نشان میدهند. اگر چه شکل، اندازه و قدرت کامپیوترهای قدیمی بسیار تفاوت دارند، اما همه آنها بر اساس همان سیستم ابتدایی منطق باینری عمل میکنند.
کامپیوترهای کوانتومی اساسا متفاوت هستند. هر یک از بیتهای کوانتومی یا کیوبیتهای آنها این قابلیت را دارند که به طور همزمان مقادیر 0، 1 یا هر دو حالت را به طور همزمان داشته باشند. این نتیجهی یک پدیده مکانیکی کوانتومی به نام برهم نهی است. جان چیاورینی، محقق گروه اطلاعات کوانتومی و نانوسیستمهای یکپارچه آزمایشگاه لینکلن MIT، بیان میکند: «یک ذره کوانتومی میتواند به گونهای عمل کند که انگار به طور همزمان در دو مکان قرار دارد».
به دلیل اتصال ناگسستنی بین حالتهای کوانتومی خود، ذرات همچنین میتوانند با یکدیگر «درهم» شوند. به گفته چیاورینی، رایانههای کوانتومی به لطف برهمنهی و درهمتنیدگی میتوانند «برخی از مسائل را بهطور تصاعدی ده برابر سریعتر از کامپیوترهای قدیمی حل کنند».
چیاورینی به کاربردهای خاصی اشاره میکند که کامپیوترهای کوانتومی میتوانند در آنها بدرخشند. به عنوان مثال، آنها در فاکتورگیری اعداد بزرگ، که یکی از ابراز مهم رمزگذاری و امنیت آنلاین است، ارزشمند هستند. علاوه بر این آنها میتوانند سیستمهای مولکولی پیچیده را شبیهسازی کنند که میتواند به کشف درمان کمک کند. از نظر تئوری رایانههای کوانتومی میتوانند به بسیاری از حوزههای تحقیقاتی و صنعتی سرعت بدهند – در صورتی که میتوانستیم رایانههای قابل اعتماد و بی نقص بسازیم.
کامپیوتر کوانتومی چگونه ساخته میشود؟
به دلیل دو مشکل مرتبط، دستیابی به سیستمهای کوانتومی دشوار است. اولین مورد حساسیت شدید حالت برهم نهی کیوبیت است. کیوبیتها ممکن است در نتیجه اختلالات محیطی جزئی یا نقصهای مادی دچار اختلال شده و اطلاعات کوانتومی خود را از دست بدهند. مکانیسم ناپیوستگی [1] که باعث این امر میشود، عمر مفید کیوبیت را محدود میکند.
چالش دوم کنترل کیوبیت برای انجام وظایف منطقی است که اغلب از طریق یک پالس دقیق تنظیم شدهی تابش الکترومغناطیسی به حاصل میشود. خود این فرآیند کنترل میتواند نویز (اختلال) الکترومغناطیسی جزئی کافی برای ایجاد ناپیوستگی تولید کند. برای افزایش راندمان تولید رایانههای کوانتومی، مهندسان باید بین محافظت از کیوبیتها در برابر اختلالات احتمالی و همچنان اجازه کنترل آنها برای محاسبات توازن برقرار کنند. انواع سیستمهای فیزیکی از نظر تئوری میتوانند به این توازن دست یابند، اما در حال حاضر ابررساناها و یونهای به دام افتاده بیشترین شانس موفقیت را نشان میدهند.
یک کامپیوتر کوانتومی ابررسانا از جریان الکترونهای جفت شده – به نام «زوجهای کوپر» – از طریق یک مدار بدون مقاومت به عنوان کیوبیت استفاده میکند. ویلیام اولیور، دانشیار بخش مهندسی برق و علوم کامپیوتر MIT، عضو آزمایشگاه لینکلن و رئیس مرکز مهندسی کوانتومی MIT، توضیح میدهد که یک ابررسانا کاملا منحصربهفرد است زیرا در زیر دمای معین مقاومت آن از بین میرود.
کامپیوترهایی که الیور مهندسی میکند از کیوبیتهای متشکل از مدارهای آلومینیومی ابررسانایی که نزدیک به صفر مطلق سرد شدهاند استفاده میکنند. این سیستم به عنوان یک نوسانگر ناهماهنگ با دو حالت انرژی، مطابق با 0 و 1 عمل میکند، زیرا جریان در هر صورت از مدار میگذرد. این کیوبیتهای ابررسانا نسبتاً بزرگ هستند، حدود یک دهم میلیمتر در طول هر لبه – که صدها هزار بار بزرگتر از یک ترانزیستور قدیمی است. اندازه بزرگ یک کیوبیت ابررسانا کنترل آن را برای محاسبات آسان میکند.
اما این همچنین به این معنی است که الیور دائما با ناپیوستگی مقابله میکند و به دنبال راههای جدیدی برای محافظت از کیوبیت ها در برابر اختلال محیطی است. هدف تحقیق او رفع این نقصهای تکنولوژیکی است تا بتوان کامپیوترهای کوانتومی ابررسانا قابل اعتماد و مناسب تولید کرد. اولیور میگوید: «من دوست دارم تحقیقات بنیادی انجام دهم، اما دوست دارم آنرا به طریقی انجام دهم که کاربردی و مقیاسپذیر[2] باشد.» «مهندسی کوانتومی علوم کوانتومی و مهندسی متعارف (معمولی) را به هم متصل میکند. برای تحقق رایانش کوانتومی، هم علم و هم مهندسی مورد نیاز خواهند بود.»
راهکار دیگر برای مشکل کنترل کیوبیتها همزمان با محافظت از آنها در برابر ناپیوستگی، یک کامپیوتر کوانتومی یونی به دام افتاده است که از اتمهای منفرد – و رفتار مکانیکی کوانتومی طبیعی آنها – به عنوان کیوبیت استفاده میکند. به گفته چیاورینی اتمها برای کیوبیتهای سادهتر از مدارهای فوق سرد موثرتر هستند. او می گوید: «خوشبختانه، لازم نیست خود کیوبیتها را مهندسی و طراحی کنم.» «طبیعت این کیوبیتهای فوق العاده خوب را به من میدهد. اما مهم مهندسی کردن سیستم و به دست آوردن کنترل کامل آن است.»
کیوبیتهای چیاورینی به جای اتمهای خنثی، یونهای باردار هستند، زیرا کنترل کردن و مکان یابی آنها سادهتر است. او عملکرد کوانتومی یون را با لیزر کنترل میکند. او میگوید: «ما در حال تغییر دادن حالت یک الکترون هستیم. ما یکی از الکترونهای درون اتم را به سطح انرژی بالاتر یا پایینتر تحریک میکنیم.»
اعمال نیرو به مجموعهای از الکترودهای روی یک تراشه، یونها را در جای خود ثابت نگه میدارد. «اگر این کار را به درستی انجام دهم، می توانم یک میدان الکترومغناطیسی ایجاد کنم که بتواند یون به دام افتاده که درست بالای سطح تراشه است را حفظ کند.» چیاورینی میتواند با تغییر ولتاژهای داده شده به الکترودها، یونها را روی سطح تراشه حرکت دهد و عملیات چند کیوبیتی بین یونهای به دام افتاده مستقل را امکان پذیر کند.
در نتیجه با اینکه کیوبیتها خود ساده هستند، تنظیم دقیق سیستمی که آنها را در بر بگیرد بسیار دشوار است. «باید سیستمهای کنترل را مهندسی کنید که شامل مواردی مانند سیگنالهای فرکانس رادیویی، ولتاژ و لیزر میشود. چیزی که معتقدیم یک عامل مهم است، جمع آوری همه آنها در یک تراشه است که یونها را نیز به دام میاندازد.»
چیاورینی اشاره میکند که برخلاف رایانههای کوانتومی مبتنی بر ابررسانا، چالشهای مهندسیای که رایانههای کوانتومی یونی به دام افتاده با آن مواجه هستند، معمولا به کنترل کیوبیت مربوط میشود تا جلوگیری از ناپیوستگی. در واقع، تعداد زیادی از سیستمهای فیزیکی دیگر برای امکان سنجی آنها به عنوان رایانههای کوانتومی تحت بررسی هستند.
قدم بعدی برای ما چیست؟
اگر برای خرید یک کامپیوتر کوانتومی پس انداز میکنید، قرار نیست به این زودیها اتفاق بیفتد. اولیور و چیاورینی توافق نظر دارند که با توسعه علم و مهندسی، پردازش اطلاعات کوانتومی تنها به تدریج در سالها و دهههای بعدی وارد بازار تجاری میشود.
در همین حال چیاورینی به کاربرد دیگر فناوری یون به دام افتاده که در حال توسعه آن است اشاره میکند: ساعتهای نوری بسیار دقیق، که میتوانند به جهت یابی و جی پی اس کمک کنند. اولیور، به نوبه خود احتمال یک سیستم کوانتومی قدیمی پیوند یافته را میدهد که در آن یک دستگاه قدیمی میتواند بیشتر یک الگوریتم را اجرا کند، و محاسبات منتخب را برای ماشین کوانتومی ارسال کند تا قبل از اینکه کیوبیتهای آن ناپیوسته شوند دایر باشند. در درازمدت کامپیوترهای کوانتومی میتوانند با عدم وابستگی بیشتری کار کنند، زیرا کدهای تصحیح خطای ارتقا یافته به آنها اجازه میدهند تا به طور نامحدود عمل کنند.
چیاورینی میگوید: «رایانش کوانتومی به مدت چند سال آینده بوده است.» اما اکنون به نظر می رسد که این فناوری در حال رسیدن به نقطه عطف است و از یک مسئله صرفا علمی به یک مشکل مشترک علمی و مهندسی تغییر کرده است – «مهندسی کوانتومی» – تغییری که بخشی از آن با کمک چیاورینی، الیور و دهها محقق دیگر در مرکز مهندسی کوانتومی ام آی تی (CQE) و جاهای دیگر انجام شده است.
[1] فرآیندی که طی آن یک سیستم کوانتومی با محیط خود به گونهای تعامل میکند که هیچ تداخلی بین حالتهای سیستم مشاهده نمیشود
[2] مقیاس پذیر: به کامپیوتر، نرم افزار یا سخت افزاری گویند که تحت هر شرایط کارایی خود را حفظ کند.
توانایی به کار رفتن در مقیاس بزرگ یا کوچک، بدون تغییرات اساسی، مثلاً بیشتر جاذبه ی سیستم عامل لونیکس قابلیت مقیاس پذیری آن است. این سیستم عامل میتواند با کمترین تغییراتی در کامپیوترهای کوچک یا بزرگ کار کند.