آیا عصر پردازش کوانتومی فرا رسیده است؟
از اوایل دهه‌ی چهارم قرن نوزدهم که چارلز ببیج ایده انقلابی ولی تحقق نیافته ماشین محاسباتی برنامه پذیر (ماشین تفاضلی) را مطرح کرد، علوم کامپیوتری همیشه به سختی در تلاش بوده که فراتر از زمان خود عمل کند؛ به‌خصوص در ۷۵ سال گذشته که نوآوری‌های چشمگیری مانند اولین کامپیوتر الکترونیکی قابل برنامه ریزی، اولین کامپیوتر مبتنی بر مدار مجتمع (IC) و اولین ریزپردازنده در این عرصه به ظهور رسیده‌اند. ولی آخرین گام این شاخه از علم بسیار بیشتر از یک گام بلند رو به جلو است و شاید انقلابی ترین دستاورد همه‌ی دوران عمر علوم کامپیوتری باشد.
پردازش کوانتومی دستاوردی است که بسیاری از دانشمندان، کارآفرینان و سرمایه‌گذاران بزرگ دنیای فناوری آن را سکوی پرش به آینده‌ای کاملا متفاوت محسوب می‌کنند. ایده‌ی پردازش کوانتومی نسبتا جدید است و اولین بار در دهه های پایانی قرن بیستم توسط ریچارد فاینمن فیزیک دان نظری آمریکایی برجسته و برنده‌ی جایزه نوبل مطرح شد. او احتمال افزایش چشمگیر سرعت پردازش اطلاعات به کمک حالت‌های کوانتومی مختلف ذرات را در قالب یک تئوری قابل دستیابی و امکان پذیر مطرح کرد ولی فعالیت آزمایشگاهی که طبعا اولین و مهم‌ترین گام در دستیابی به آن است، به دانشمندان فیزیک کاربردی محول شد.
در یک کامپیوتر معمولی یا به تعبیری کامپیوتر کلاسیک فقط دو حالت خاموش و روشن یا به عبارت بهتر «صفر و یک» برای پردازش اطلاعات در دسترس است. در پردازش داده به مفهوم رایج، «بیت» کوچک ترین واحد مورد استفاده است و همه اطلاعات برای پردازش به دنباله ای از بیت ها تبدیل می‌شوند که مقدار هر کدام از آن‌ها می‌تواند فقط «۰» یا «۱» باشد. توان پردازشی یک کامپیوتر کلاسیک ارتباط مستقیمی با تعداد ترانزیستورهای باینری یا سویچ‌های خاموش و روشن بسیار کوچکی دارد که در ریزپردازنده‌ی آن گنجانده شده‌اند.
اولین ریزپردازنده‌ی اینتل که در سال ۱۹۷۱ ساخته شد، تنها ۲۳۰۰ ترانزیستور داشت. اکنون این شرکت پردازنده‌هایی با بیش از ۵ میلیارد ترانزیستور تولید می‌کند ولی با این حال هنوز هم پردازش داده به دو متغیر صفر و یک یا منطق باینری محدود است که این محدودیت در پردازش کوانتومی از بین خواهد رفت. یک بیت کوانتومی یا «کیوبیت» بسته به حالت فیزیکی خود می‌تواند گزینه‌های بیشتری برای پردازش اطلاعات فراهم کند.
در قلمروی زیر اتمی اسرار آمیز فیزیک کوانتومی، ذرات تشکیل دهنده اتم مانند امواج عمل می کنند؛ یعنی در هر لحظه می‌توانند رفتاری مثل یک ذره، یک موج یا ترکیبی از هر دو نشان بدهند که این حالت در مکانیک کوانتومی به نام اصل «برهم نهی» شناخته می‌شود. تحت تأثیر اصل برهم نهی مقدار یک کیوبیت می‌تواند ۰ یا ۱ یا «۰ و ۱» باشد. به این ترتیب ۲ کیوبیت می‌توانند ۴ مقدار یا حالت قابل استفاده برای پردازش داده داشته باشند و ۳ کیوبیت ۸ مقدار که این روند با پیروی از یک تابع نمایی افزایش پیدا می‌کند. افزایش ظرفیت کیوبیت برای داشتن تنها یک حالت بیشتر از بیت کلاسیک به معنای دسترسی به تعداد ما فوق تصوری از اعداد است که به مطرح شدن ایده‌های کاربردی حیرت انگیز و غیرقابل باوری منجر شده است.
در حال حاضر ایده‌های مذکور در نزدیک ترین وضعیت خود برای به تحقق رسیدن هستند. در یک آزمایشگاه وسیع واقع در شهر بارنابی ونکوور، جعبه‌های بزرگ سیاه رنگ که بی شباهت به فریزرهای ۱۰ فوتی نیستند، به چشم می‌خورد. این جعبه‌ها حاوی تعداد زیادی بورد دیجیتال هستند و هیچ شباهتی به ساخته‌های آزمایشگاه‌های فیزیک کاربردی ندارند، البته به جز تراشه های نیوبیومی زیبا و رنگارنگی که در بخش مرکزی جعبه ها تعبیه شده‌اند. هیچ ویژگی ظاهری غیرعادی و منحصر به فردی در آزمایشگاه به چشم نمی‌خورد ولی با این حال شاید در گوشه ای از آن دریچه ای به جهان های موازی وجود داشته باشد.
آزمایشگاه متعلق به یک شرکت کوچک به نام D-Wave با ۱۴۰ نفر پرسنل نخبه و متخصص است که افتخار ساختن اولین کامپیوتر کوانتومی در حال کار دنیا را از آن خود می‌دانند. کیس‌های سیاه رنگ فریزر مانند که کامپیوتر کوانتومی را در خود جای داده اند، واقعا فریزر هستند؛ سردترین فریزرهایی که انسان تاکنون ساخته است با برودت منفی ۲۷۳ درجه سانتی گراد و بسیار نزدیک به صفر مطلق (کمترین دمای ممکن در محدوده‌ی شناخته شده کیهان). کیس ها برودت مورد نیاز برای کنترل حالت‌های کوانتومی تراشه های نیوبیومی (پردازنده‌ی کامپیوتر کوانتومی) را تأمین می‌کنند.
محیط فوق العاده سرد پیش شرط الزامی برای وادار کردن ذرات به بروز رفتارهای گروهی کوانتومی نظیر برهم نهی و درهم تنیدگی (حالتی که ذرات شروع به تعامل با یکدیگر کرده و رفتار کوانتومی مشابهی بروز می‌دهند) است و بر اساس قوانین مکانیک کوانتومی کیوبیت های درهم تنیده صرف نظر از موقعیت مکانی هر کدام در فضا، همواره با یکدیگر در ارتباط باقی خواهد ماند. کوچک ترین تداخل حرارتی یا نوری می‌تواند کل پروسه و درنتیجه کارایی کامپیوتر کوانتومی را با اختلال مواجه کند.
دلیل اینکه فیزیک کوانتومی از قوانینی مشابه فیلم‌های علمی تخیلی پیروی می‌کند معمایی است که منبع نظریه پردازی و گمانه زنی های زیادی شده است. نظریه های زیادی برای توضیح این مسئله مطرح شده‌اند که رایج ترین آن‌ها وجود حالت های کوانتومی مختلف در جهان‌های موازی است.
یکی از کامپیوترهای کوانتومی این آزمایشگاه که مورد بررسی قرار گرفته، ۱۰۰۰ کیوبیت دارد. ورن براونل (Vern Brownell) مدیرعامل D-Wave می‌گوید:
یک کامپیوتر ۱۰۰۰ کیوبیتی می‌تواند در یک‌لحظه ۲ به توان ۱۰۰۰ حالت داشته باشد که برابر است با ۱۰ به توان ۳۰۰ حالت. در تمام جهان تنها ۱۰ به توان ۸۰ اتم وجود دارد. آیا این مسئله به معنای آن است که کامپیوتر کوانتومی به صورت هم زمان در ۱۰ به توان ۳۰۰ جهان موازی وجود دارد؟
آیا میلیاردها جهان مختلف می‌توانند به صورت هم زمان در یک کامپیوتر کوانتومی وجود داشته باشند؟ این چنین پرسشی از آن دسته سؤال هایی است که به هیچ عنوان در شرایط و زمان‌های عادی نباید برای یافتن پاسخ آن‌ها با ذهن خود کلنجار برویم. از طرف دیگر در حال حاضر پاسخ دادن به این سؤال اهمیت چندانی ندارد و در حال حاضر می‌خواهیم بدانیم که آیا واقعا ایده کامپیوتر کوانتومی به تحقق رسیده است؟
در حال حاضر کامپیوتر کوانتومی با دریای بیکرانی از تئوری‌ها و فرضیه‌های موافق و مخالف محاصره شده است. داشتن پردازنده ای که توان آن به تنهایی به مراتب بیشتر از مجموع همه کامپیوترهای کلاسیک موجود باشد، بسیار وسوسه کننده است و اما دستیابی به آن گذر از مسیری بسیار دشوار را طلب می‌کند.
به همین دلیل است که کامپیوتر 2X شرکت D-Wave بیش از ۱۵ میلیون دلار قیمت دارد و تاکنون فقط معدودی از سازمان‌ها موفق به خریداری آن شده‌اند؛ ازجمله گوگل، لاکهید مارتین و ناسا. از طرف دیگر سرمایه گذاری افرادی مثل جف بزوس (مؤسس آمازون) و مؤسساتی مثل شاخه‌ی فناوری‌های مدرن CIA و In-Q-Tel در D-Wave حکایت از آینده امید بخش کامپیوتر کوانتومی این شرکت دارد.
پیش بینی می‌شود که پردازش کوانتومی به طور کلی چهره فناوری های مثل هوش مصنوعی و رمزنگاری اطلاعات را متحول خواهد کرد و احتمالا پایه گذار پیشرفتی خواهد شد که حاصل آن ماشین هایی با توانایی تفکر انسان گونه با همه ظرافت ها و پیچیدگی های آن است.
ورن براونل در گذشته سرپرست واحد فناوری موسسه گلدمن ساکس بود ولی رویکرد این موسسه در قبال فناوری برای او چالشی جدی محسوب نمی‌شد. او معتقد است که باوجود موفقیت شبکه‌های اجتماعی نظیر فیس بوک در استفاده هوشمندانه از فناوری‌های موجود، در حقیقت ساکنان سیلیکون ولی صرفا با تغییرات سطحی در فناوری‌های فعلی به سود دهی بیشتر متمرکز شده‌اند و توجه چندانی به پیشرفت بنیادی نشان نمی‌دهند. او می‌گوید:
سطح نوآوری و ابتکار- به لحاظ پیشرفت‌های چشمگیر منجر به تغییر و تحول بنیادی- در مقایسه با آنچه در تاریخ مدرن می‌بینیم و حتی نسبت به تمام عمر انسان در سطح بسیار پایینی قرار دارد. D-Wave با شجاعت در مقابل این رویه ایستادگی می‌کند.
البته طرز تفکر براونل همیشه به این شکل نبود. ۷ سال پیش که او به D-Wave پیوست، این شرکت بعد از ۷ سال فعالیت در آستانه فروپاشی بود و سهام آن ارزشی نداشت که به همین دلیل اولین واکنش براونل در قبال پیشنهاد D-Wave تردید و دودلی عمیق بود. او هیچ اعتقادی به موفقیت این شرکت نداشت و با در نظر گرفتن واکنش منفی و تمسخرآمیز متخصصان در مورد خط مشی شرکت هیچ جذابیتی در همکاری با آن نمی‌دید.
وقتی براونل با تیم D-Wave ملاقات کرد، دیدگاه او عوض شد. یکی از مؤسسان شرکت یک دکترای فیزیک ۴۴ ساله و بدبین به محیط آکادمیک به نام جوردی رُز (Geordie Rose) بود که بعد از گذراندن یک دوره کارآفرینی، بی صبرانه در انتظار فرصت عملی کردن ایده هایش با استفاده از تجهیزات آزمایشگاهی بسیار گران قیمت و به شدت کمیاب و دست نیافتنی بود. ایده‌ی بدیع و جسورانه رز، ساخت یک کامپیوتر کوانتومی کاربردی با قابلیت ارائه در بازار بود ولی شروع کار او با دورانی هم زمان شد که تصمیم جوامع علمی برای ساخت کامپیوتر کوانتومی دیگر از استقبال عمومی چندانی برخوردار نبود. همه کامپیوترهای کوانتومی آزمایشی که تا آن زمان ساخته شده بودند از الگوی یکسانی پیروی می‌کردند که عبارت بود از تلاش نه چندان موفقیت آمیز برای جایگزین کردن ترانزیستورهای کلاسیک با کیوبیت.
رز تصمیم گرفت به جای پیروی از این الگوی کلی یک کامپیوتر کوانتومی آدیا با تیک تولید کند که با استفاده از فرایند بازپخت کوانتومی (Quantum annealing) یا تونل زنی کوانتومی عمل می‌کرد. برای این منظور باید الگوریتمی داشته باشید که هم زمان با برقراری ارتباط متقابل و کنترل‌شده بین کیوبیت‌ها، بتواند آن‌ها را مانند بیت‌های کلاسیک مورد استفاده قرار دهد و هرکدام را با یک مقدار باینری مشخص (صفر یا یک) شناسایی کند. در مرحله بعد به محیطی با شرایط لازم برای ایجاد فرایند بر هم نهی نیاز است که در آن هر کیوبیت قبل از تبدیل به صفر و یک مورد نیاز برای پردازش، حالت کوانتومی با ثباتی پیدا کند. هدف نهایی این است که هر کیوبیت با رسیدن به کم انرژی ترین حالت کوانتومی ممکن به مقدار ثابت و قابل اطمینانی تبدیل شود تا بتواند نقش خود را در الگوریتم به‌خوبی ایفا کند.
وقتی صرفا توضیح و درک الگوریتم تا این حد پیچیده و دشوار است، تصور کنید که پیاده سازی و ساخت یک کامپیوتر بر مبنای آن تا چه حد می‌تواند دشوار و حتی غیر ممکن باشد. نتایج اولیه دلسرد کننده بودند و هیچ راهی برای حصول اطمینان از صحت آنچه در سطح کوانتومی می‌گذشت وجود نداشت و درمجموع پیشرفت چشمگیری حاصل نمی‌شد.
اولین نتیجه تلاش‌های D-Wave در سال ۲۰۰۷ و با ساخت یک گجت ۱۶ کیوبیتی به دست آمد که برای حل جدول سودوکو طراحی شده بود ولی با استقبال چندانی رو به رو نشد. اومش وزیرانی یکی از نویسنده‌های مقاله نظریه پیچیدگی کوانتومی ادعای D-Wave را بی اساس خواند و محصول آن‌ها را برداشتی اشتباه از تحقیقات خود دانست. او عنوان کرد اگر این گجت واقعا کامپیوتر کوانتومی باشد و حتی اگر بتواند هزاران کیوبیت را برای پردازش اطلاعات مورد استفاده قرار بدهد بازهم توان پردازشی آن از یک تلفن همراه بیشتر نخواهد بود.
بعد از این اتفاق D-Wave دائما در معرض اتهام گزافه گویی و اغراق قرار می‌گرفت. بخشی از مشکل شرکت سخت بودن بیش از حد هر نوع اندازه گیری دقیق برای مطمئن شدن از صحت عملکرد گجت بود. D-Wave برای حل این مشکل آزمونی برای ثبت و مشاهده فرایند در هم تنیدگی – به‌عنوان یک فرایند ضروری در کامپیوتر کوانتومی – در محصول خود طراحی کرد ولی بعضی از متخصصان این حوزه در قابل اطمینان بودن آزمون تردید داشتند. حتی وقتی محصول D-Wave آزمون دیگری که توسط دانشمندان مستقل طراحی شده بود با موفقیت پشت سر گذاشت، بازهم منتقدان وقوع در هم تنیدگی را به عنوان دلیلی قانع کننده رد کردند و تنها عملکرد گجت را مدرک قابل قبولی برای اثبات ادعای شرکت دانستند.
در سال ۲۰۱۳ کامپیوتر کوانتومی D-Wave Two یک آزمون عملکرد را ۳۶۰۰ بار سریع تر از کامپیوترهای کلاسیک پشت سر گذاشت ولی دوباره چندین نفر از دانشمندان شناخته شده و مطرح این حوزه صحت کار D-Wave را زیر سؤال بردند. در سال ۲۰۱۴ یکی از اساتید مشهور فیزیک محاسباتی به نام ماتیاس ترویر با انتشار گزارشی اعلام کرد که هیچ گونه مدرکی برای اثبات وجود افزایش سرعت کوانتومی در محصول D-Wave مشاهده نکرده است.
اسکات آرونسون استاد دانشگاه ام آی تی و قدیمی ترین منتقد D-Wave است که خود را «رئیس بدبین‌ها به D-Wave» می‌خواند. او بعد از خواندن گزارش ترویر اعلام کرد با وجود اینکه احتمال وقوع فرایندهای کوانتومی در محصول D-Wave وجود دارد ولی دلیلی برای اینکه این فرایندها نقشی در عملکرد پردازشی آن دارند و سریع تر بودن این محصول از کامپیوترهای کلاسیک در دست نیست.
براونل توجه زیاد به منتقدان ندارد و معتقد است که تردیدها در مورد محصول شرکتش برطرف شده‌اند. او سال گذشته در آزمون مقایسه ای گوگل شرکت کرد که در آن کامپیوتر کوانتومی D-Wave مراحل آزمون را ۱۰۰ میلیون بار سریع تر از کامپیوترهای کلاسیک پشت سر گذاشت. او می‌گوید:
اگر این کامپیوتر کوانتومی نیست پس چگونه توان پردازشی آن صد میلیون برابر بیشتر از پردازنده های اینتل است؟ این سرعت یا حاصل پردازش کوانتومی است یا ما موفق به استفاده از قانون دیگری در طبیعت شده‌ایم که هنوز کشف نشده و در این صورت حاصل تلاش های ما بسیار هیجان انگیز تر از قوانین شناخته شده مکانیک کوانتومی است. من همه دانشمندان سراسر دنیا را به چالش می‌طلبم تا بگویند که اگر این سرعت حاصل تونل زنی کوانتومی نیست، چه چیز دیگری می‌تواند باشد؟
حتی آرونسون اذعان می‌کند که نتایج محصول D-Wave در آزمون گوگل خیره کننده هستند. او می‌گوید:
این دستاورد بی تردید چشمگیر ترین نمایش برای اثبات توانایی ماشین‌های D-Wave است. ولی با این حال هنوز مشخص نیست که معماری کامپیوتر این شرکت راهی برای دستیابی به سرعت پردازش کوانتومی است.
البته این نتایج به هیچ عنوان برای ترویر قانع‌کننده نیستند. او می‌گوید:
برای قضاوت در این مورد باید نگاه صحیحی داشته باشید. الگوریتم D-Wave حدود ۱۰۸ برابر سریع تر از بعضی از الگوریتم‌های کلاسیک است و در حل مسائلی به کار گرفته شده که فقط برای به چالش کشیدن کامپیوترهای کلاسیک طراحی شده‌اند نه برای محصول D-Wave؛ بنابراین تکیه کردن بر این نتیجه برای اثبات کوانتومی بودن کامپیوتر D-Wave گمراه کردن افکار عمومی است.
به اعتقاد آرونسون این بحث و جدل های ضد و نقیض جنبه مثبتی هم دارند و آن کمک به ما برای درک بهتر مکانیک کوانتوم است.
نیک هاریگان، عضو مرکز فوتونیک کوانتومی دانشگاه بریستول که از مؤسسات پیشتاز در تحقیقات مکانیک کوانتومی است می‌گوید:
پروژه‌های کاربردی پردازش کوانتومی توانایی بالقوه بی نظیری دارند و حتی اگر هیچ گاه موفق به ساخت کامپیوتر کوانتومی نشویم، بازهم در تلاش برای ساخت آن دستاوردهای چشمگیری خواهیم داشت. شاید این گفته نوعی بهانه برای توجیه شکست های احتمالی به نظر برسد ولی مکانیک کوانتومی نظریه ای بسیار بنیادی برای بهبود درک ما از جهان است و زیر بنای بسیاری از فناوری های فعلی و آتی محسوب می‌شود. به همین دلیل هر فعالیتی که در این عرصه انجام می‌شود – صرف نظر از پیروزی یا شکست – گامی بلند و سرنوشت ساز است. یک راه مؤثر و بی نظیر در تلاش برای درک کامل ماهیت مکانیک کوانتومی و تفاوت بنیادی آن با فیزیک کلاسیک، در نظر گرفتن مسائل محاسباتی است که به کمک سیستم های مبتنی بر مکانیک کوانتومی آسان تر حل می‌شوند.
رویکرد گوگل در قبال مفید بودن کامپیوتر کوانتومی D-Wave خوش بینانه ولی همراه با احتیاط کامل است. هارتموت نیون سرپرست بخش مهندسی گوگل به نقاط ضعف و قوت آزمون مقایسه ای این شرکت اذعان دارد و همین طور معتقد است با وجود اینکه با به کارگیری الگوریتم های متفاوت در کامپیوترهای کلاسیک می‌شود عملکردی بهتر از الگوریتم مبتنی بر بازپخت کوانتومی به دست آورد ولی او انتظار دارد که توسعه دهندگان آینده استفاده از بازپخت کوانتومی را ترجیح دهند. نیون می‌گوید که در نسل بعدی کامپیوترها بازپختی باید پیش نیازهای لازم برای حل بسیاری از مشکلات عملی پردازش اطلاعات برطرف شود.
یک از عمده ترین مشکلات پردازشی که انتظار می‌رود با استفاده از بازپخت کوانتومی برطرف شود، بهینه سازی و افزایش بهره وری سیستم های پیچیده است.
براونل می‌گوید:
بهینه سازی یک از مشکلات همیشگی کامپیوتر و بسیار کسل کننده است ولی محور اصلی بسیاری از پروژه های کاربردی در زمینه های مختلف نیز محسوب می‌شود که یکی از عمده ترین آن ها حوزه هوش مصنوعی است. به عنوان مثال شما می‌خواهید یک بطری آب را شناسایی کنید. یک کامپیوتر برای این کار به زمان بسیار زیادی نیاز دارد و نتیجه کار آن نیز به خوبی انسان نیست. عملکرد کامپیوترهای کلاسیک روز به روز در حال پیشرفت است ولی کامپیوتر کوانتومی سرعت پروسه را به مراتب افزایش می‌دهد.
براونل ژنومیک، اقتصاد و پزشکی را سایر حوزه‌هایی می‌داند که به صورت عمده با مشکل بهینه سازی دست به گریبان هستند. ساخت مدل های پیچیده با متدهایی نظیر شبیه سازی مونت کار لو کاربرد زیادی در حوزه اقتصاد دارد ولی نیازمند توان پردازشی بسیار بالایی است که می‌توان آن را به راحتی با کامپیوتر کوانتومی تأمین کرد. او می‌گوید:
در کسب و کارهای اینترنتی دیتاسنترهای بسیار بزرگی مورد استفاده قرار می‌گیرد و برای تأمین الکتریسیته مورد نیاز نیروگاه های برق آبی در کنار آن‌ها احداث می‌شود. این کسب و کارها دومین مصرف کننده عمده انرژی الکتریکی در تمام کره زمین هستند.
به گفته براونل هدف D-Wave برپایی یک انقلاب سبز در پردازش اطلاعات است که در آن همگان از طریق فناوری های ابری به کامپیوترهای کوانتومی بسیار کم مصرف دسترسی دارند. او معتقد است که در چند سال آینده ما قادر خواهیم بود از تلفن همراه خود به کامپیوترهای کوانتومی دسترسی داشته باشیم.
براونل می‌گوید:
فکر می‌کنم که ما فرصت ایجاد با ارزش ترین شرکت فناوری در تاریخ را خواهیم داشت. می‌دانم که این گفته کمی اغراق به نظر می‌رسد ولی با توجه به ظرفیت هایی که ایجاد کرده‌ایم در چندین دهه آینده بازیگر اصلی صحنه کامپیوتر کوانتومی خواهیم بود.
شنیدن این ادعا از مدیرعامل هیچ شرکتی بعید نیست ولی نباید فراموش کرد که D-Wave از هم اکنون پیشتاز رقابت ساخت کامپیوتر کوانتومی است. اینکه این رقابت به کجا ختم می‌شود و در این مسیر چه مقدار از قلمرو اسرارآمیز مکانیک کوانتومی کشف خواهد شد، سؤالی است که برای پاسخ دادن آن احتمالا به کامپیوتر کوانتومی نیاز داریم.
منبع: زومیت