اگر نحوهی کار با سیستمهای رایانش کوانتومی را فرا بگیریم و بتوانیم آنها را مهار کنیم، رایانش کوانتومی در آینده، قدرت و مقیاس سیستمهای محاسباتی ما را متحول خواهد کرد. دانشمندان بهتازگی با پی بردن به اینکه چگونه میتوان بهخوبی از رایانش کوانتومی استفاده کرد، دریافتهاند که گرانش کلید رسیدن به این هدف است.
بهصورت خاص، قوانین هندسیای که به ما اجازه میدهند با توجه به گرانش در نسبیت عام کمترین فاصلهی میان دو نقطه را در یک فضای خمیده پیدا کنیم، میتوانند بهترین و پربازدهترین راه را برای پردازش اطلاعات در یک کامپیوتر کوانتومی پیداکنند.
نکاتی که در مورد کوتاهترین مسیر برای سفر بین دو نقطه چه روی سطح یک سیارهی کروی و چه در یک کامپیوتر کوانتومی وجود دارند، بهنام ژئودزیک شناخته میشوند. پژوهشگرانی که در این پژوهش جدید نقش داشتند گفتهاند که با استفاده از یکی از شاخههای ویژهی محاسبات کوانتومی بهنام نظریهی میدان همدیس، میتوانند سریعترین محاسبات ممکن را انجامدهند.
پاول کاپیوتا، فیزیکدان دانشگاه کایوتو ژاپن به وبسایت Phys.org میگوید:
در مرحلهای که ما در آن هستیم، یافتن طول کمینه در هندسهی پیچیدگی با حل مسئلهی گرانش برابر است. این همان کاری است که با تنظیم قوانین گرانشی در نظریههای میدان همدیس در فضای دوبعدی برای دستیابی به محاسبات مطلوب، قصد انجام آن را داشتیم.
تطبیقدادن امکانات رایانش کوانتومی با یک رویداد فیزیکی و کاربردی، یکی از بزرگترین چالشهایی است که دانشمندان با آن مواجه هستند. اگر بخواهیم کامپیوترهای کوانتومی را به بیرون از آزمایشگاه گسترش دهیم، موارد کاهش نرخ خطا و کمکردن دخالت عوامل بیرونی در کارکرد این کامپیوترها، دو عامل کلیدی و مهم هستند.
پژوهش تازهی دانشمندان برپایهی پژوهشی انجام شده است که ارتباط بین رایانش کوانتومی و هندسه را بررسی کرده بود؛ بااینحال پژوهش اخیر با تکیه بر ارائهی یک توصیف فراگیر از پیچیدگی پا را فراتر نهاده؛ بدین معنی که تلاش کرده است تا ارتباط پیشتر شناختهنشدهی میان پیچیدگی و گرانش را نشان دهد.
درحال حاضر، این شرایط تنها بر تعداد خاصی از حالتهای کوانتومی اعمال میشود؛ اما درنهایت یافتهها میتوانند بهصورت گستردهتری بهکاربرده شوند. کاپیوتا به Phys.org گفت:
ما نشان دادیم که در نظریههای میدان همدیس دوبعدی با دروازههای کوانتومی دادهشده توسط تانسورهای تکانه - انرژی، طول اینگونه ژئودزیکها با اعمال گرانش دوبعدی محاسبه میشود.
محاسبات کوانتومی بر مبنای مفهوم کیوبیت (یک واحد اطلاعات که میتواند در یک زمان چندین حالت را نشاندهد) پایهریزیشده است. شبیه صفر و یکهایی که بیتهای مورد استفاده درکامپیوترهای کلاسیک با آنها برنامهریزی شدهاند. اما کنترل این کیوبیتها بسیار دشوار است و نیاز به دقت فراوان دارد.
در سالهای اخیر شاهد آن بودیم که فیزیکدانها بهتدریج فضای مورد نیاز برای ذخیرهی کیوبیتها را کم و کمتر کردند. آنها همچنین دقت کیوبیتها را نیز بالا بردهاند. درنتیجه، اکنون باید بتوانیم به نتایجی که از کامپیوترهای کوانتومی بهدست میآید اطمینان کنیم. بهتازگی شاهد هستیم که کامپیوترهای کوانتومی قدیمیتر کیوبیتهای بیشتری را نگه میدارند و همین کیوبیتها را برای مدت بیشتری در حالتهای کوانتومی حفظ میکنند.
هربار که قسمت کوچکی از کل مشکل حل میشود ما یک قدم به فهم وعدهای که در مورد رایانش کوانتومی دادهشدهاست نزدیکتر میشویم و قوانین هندسی توصیفکنندهی گرانش به ما کمک میکنند تا بتوانیم از این ظرفیت بهنحو بیشتری استفادهکنیم. کاپیوتا به Phys.org گفت:
ما نشان دادیم که خانوادههایی از سامانههای کوانتومی وجود دارد که در آنها، پیچیدگی وظایف فراگیر معین با استفاده از گرانش کلاسیک بهخوبی برآورد شده است.
گوگل مفهوم برتری کوانتومی را تا پایان ۲۰۱۹ ممکن میداند
گوگل رایانش کوانتومی را بهعنوان حوزهی بعدی فعالیت و تسلط در نظر دارد. آنها احتمالا تا چند ماه آینده کامپیوتری کوانتومی به نمایش خواهند گذاشت که قابلیتهای خارقالعاده و فراتر از کامپیوترهای مرسوم کنونی دارد. چنین رویکردی با عبارت برتری کوانتومی شناخته میشود و کارشناسان اعتقاد دارند اهالی مانتین ویو تا چند ماه آینده به آن دست خواهند یافت.
برخی کارشناسان برتری کوانتومی را بزرگترین دستاورد علمی بشر از زمان کشف قدرت آتش میدانند. شاید چنین تعریفی اغراقآمیز بهنظر برسد، اما بههرحال با توجه به اخبار پیرامون کامپیوترهای کوانتومی، تأثیرگذاری عمیق آن دور از انتظار نیست. بههرحال گوگل در صورت دستیابی به چنین برتری، باز هم جایگاه خود را بهعنوان یکی از غولهای صنعت فناوری تثبیت میکند و فرمانروایی قدرتمندتری در بازار خواهد داشت.
درحال حاضر کامپیوترهای کوانتومی متعددی در جهان وجود دارند، اما هیچیک از آنها قابلیت انجام فرایندی بیشتر از کامپیوترهای سنتی ندارند. درواقع هر فعالیتی که کامپیوترهای کوانتومی کنونی انجام میدهند، با کامپیوترهای سنتی هم قابل انجام خواهد بود و برتری، تنها در سرعت انجام دیده میشود. بهعلاوه شرکتهای متعددی همچون IBM، D-Wave، گوگل، مایکروسافت، Rigetti و بسیاری دیگر هم به توسعهی کامپیوترهای کوانتومی مشغول هستند.
اخباری که اکنون پیرامون برتری کامپیوتری شنیده میشود، مفهوم جدیدی بهنام قانون Neven را مطرح میکنند. این اسم از نام یکی از پیشگامان گوگل در بحث کوانتومی انتخاب شد. هارتموت نِوِن، از متخصصان تأثیرگذار گوگل در حوزهی کوانتوم است که روند کنونی را شبیه به گلولهی برفی در حال رشد با سرعت نمایی تشبیه میکند. در بخشهای بعدی به جزئیات نظریهی نون میپردازیم، اما ابتدا تعریفی از تأثیر برتری کوانتومی در دنیای حاضر ارائه میکنیم.
اهمیت برتری کوانتومی برای کاربران عادی
متخصصان دنیای فناوری، تولد مفهومی بهنام برتری کوانتومی را نزدیک میدانند. مفهومی که بهمعنای کامپیوترهای کوانتومی کاربردی برای همهی افراد خواهد بود. آنها چنین رخدادی را در همهی حوزههای علمی و کاربردی جهان تأثیرگذار میدانند. منظور از حوزههای متنوع میتواند علومی همچون شیمی، فیزیک فضایی، پزشکی، امنیت، ارتباطات و بسیاری موارد دیگر باشد.
شاید تصورات بالا، مفاهیمی غیرواقعی با هدف افزایش خبر و گمانهزنی در دنیای رسانه باشند، اما بههرحال چنین پیشبینیهایی امروز متعادلتر و واقعیتر از سایر بهنظر میرسند. تصورات بلندپروازانهتر، رایانش کوانتومی را پایهای بر کشفیات بسیار بزرگ در رمز و رازهای جهان هستی میدانند. از نظر آنها مفاهیمی همچون پیدایش هستی و بررسی زندگی در خارج از سیارهی زمین هم با رایانش کوانتومی ممکن میشود.
نمیتوان کامپیوترهای سنتی را با کامپیوترهای کوانتومی جایگزین کرد
رایانش کوانتومی امروز فناوری مرزی محسوب میشود. به بیان دیگر هنوز دستور کاری برای استفاده از ذرات زیراتمی برای انجام فرایندهای رایانش وجود ندارد. بههرحال با توجه به همین مفاهیم محدود کنونی، میتوان نتیجهگیری کلی از آیندهی این نوع از رایانش داشت. امروز میدانیم که کامپیوترهای کوانتومی (بهخاطر تفاوتهای ساختاری) هیچگاه جایگزین کامپیوترهای سنتی نمیشوند. درواقع توسعهی آنها هم با چنین هدفی انجام نمیشود.
کاربران هیچگاه نمیتوانند گوشیهای هوشمند کنونی یا کامپیوترهای شخصی را با یک کامپیوتر کوانتومی جایگزین کنند. همانطور که تعویض کردن کفشهای ورزشی با یک موشک هستهای ممکن نیست، استفاده از کامپیوتر کوانتومی بهجای کامپیوترهای سنتی نیز غیرمنطقی بهنظر میرسد. درواقع آنها دستاوردهایی با اهداف متفاوت هستند. بهبیان سادهتر اگرچه کفش و موشک هردو برای جابهجایی استفاده میشوند، اما قطعا کاربرد متفاوت دارند.
رایانش کوانتومی
کامپیوترهای کلاسیک به کاربر امکان میدهد تا فعالیتهایی همچون بازی کردن، بررسی ایمیل، وبگردی و اجرای اپلیکیشنها را انجام دهد. درمقابل کامپیوترهای کوانتومی اکثرا برای انجام شبیهسازیهای بسیار پیچیده استفاده میشوند که سیستمهای باینری (سیستمهایی که در ساختار بیتی کامپیوترهای کنونی اجرا میشوند) امکان پیادهسازی آنها را ندارند. درنهایت میتوان ادعا کرد که کامپیوترهای کوانتومی کاربردی برای مصرفکنندههای عادی ندارند، اما قطعا سازمانهایی علمی همچون ناسا یا MIT از آنها استفاده خواهند کرد.
قطعا برتری کوانتومی یک دستاورد بزرگ علمی محسوب میشود. ازطرفی نمیتوان دربارهی آیندهای با حضور کامپیوترهای آنچنانی، تصورات بسیار بلندپروازانه داشت. بهبیان دیگر با ظهور آن نوع از کامپیوترها، به آرمانشهری علمی و فناورانه دست پیدا نخواهیم کرد.
گوگل ادعا میکند کامپیوتری کوانتومی در دست توسعه دارد که توانایی انجام کارهای غیرممکن برای کامپیوترهای سنتی را خواهد داشت. نمیتوان با این ادعا، تصوری عالی از آیندهای با حضور کامپیوتر گوگل داشت. درواقع متخصصان هم تنها بهخاطر ادعای گوگل، به آیندهی برتری کوانتومی امیدوار نشدهاند. آنچه آنها را امیدوار و هیجانزده میکند، مفهوم قانون Neven است. البته این قانون، شباهتی به قانون ندارد.
قانون نِوِن را میتوان عبارتی قابلفهم برای مفهومی بیان کرد که هارتموت نِوِن ابداع کرده است. سمپوزیوم بهارهی کوانتومی گوگل در ماه مه سال جاری برگزار شد و نِوِن سخنرانی قابل توجهی در آن داشت. او ادعا کرد که کارایی کامپیوترهای کوانتومی و قابلیتهای آنها با سرعتی بسیار بالا پیشرفت میکند. همه میدانیم که پیشرفت کامپیوترهای معمولی از سیستم کارت پانچی تا رسیدن به گوشیهای هوشمند قدرتمند امروزی حدود ۵۰ سال طول کشید. اگر ادعای نِوِن صحیح باشد، پیشرفت به کامپیوترهای کوانتومی در کسری از آن زمان محقق خواهد شد.