رایانه‌های کوانتومی می‌توانند سردتر از فضای اعماق شوند - در اینجا نحوه کار آنها آمده است

یکی از سردترین مکان‌های جهان در سیاره‌ای دور یا در نقطه‌ای خالی بین کهکشان‌ها نیست. اینجا روی زمین، داخل یک آزمایشگاه است. بر اساس گزارش Space.com، اعماق فضا در حدود 2.7 کلوین (454.8 درجه زیر صفر برحسب فارنهایت)، در درخشش باقی مانده از انفجار بزرگ قرار دارد. آخرین سیستم برودتی مدولار آی‌بی‌ام کمتر از 15 میلی‌کلوین خنک می‌شود که شرکت آن را بیش از 180 برابر سردتر از فضای عمیق توصیف می‌کند. این یک تار مو بالای صفر مطلق است.

بنابراین چگونه آی‌بی‌ام یک ماشین را سردتر از فضای عمیق‌تر می‌کند و شاید مهم‌تر از آن، چرا زحمت می‌کشد؟ چه سودی برای ما انسان های خون گرم خواهد داشت؟ پاسخ با چیزی که سرد نگه داشته می شود شروع می شود: کیوبیت.

رایانه های معمولی با استفاده از بیت ها محاسبه می کنند: سوئیچ های کوچکی که 1 یا 0 هستند، روشن یا خاموش هستند. یک کیوبیت به یک شماره گیری نزدیکتر است تا یک سوئیچ. می تواند موقعیت های مختلفی را بین روشن و خاموش نگه دارد. شما می توانید تفاوت بین این دو را مانند تفاوت بین یک سوئیچ نور و یک دیمر تصور کنید. علاوه بر آن، هر کیوبیت یک "جهت" نیز دارد که اطلاعات را حمل می کند. بنابراین در حالی که یک بیت یا روشن یا خاموش است، یک کیوبیت می تواند چندین مقدار را در دو جهت مختلف نگه دارد.

بیت ها نیز به تنهایی کار می کنند: هر کدام به طور جداگانه روشن یا خاموش می شوند. کیوبیت ها را می توان با هم پیوند داد، به طوری که آنچه در مورد یکی می آموزید، در مورد دیگران به شما می گوید. کنسولی از شماره‌گیرهای متصل را تصور کنید، جایی که با چرخاندن یک عدد، بقیه به همراه آن جابجا می‌شوند.

یک کامپیوتر کوانتومی الگوریتم‌های ساخته شده را اجرا می‌کند تا پاسخ‌های نادرست از بین بروند و پاسخ درست ثابت بماند، دقیقا مانند امواج روی دریاچه که در برخی نقاط خنثی می‌شوند و در برخی دیگر جمع می‌شوند. نکته مهم این است که صفحه ها بسیار ظریف هستند. هر گونه مزاحمت بیرونی در همه آنها پخش می شود و احتمال یک پاسخ اشتباه را افزایش می دهد. آنجاست که سرما وارد می شود.

برای درک اینکه چرا یک کامپیوتر کوانتومی به سردترین شرایط ممکن نیاز دارد، با یک سوال ساده شروع کنید: گرما چیست؟ پاسخ سرراست است. گرما انرژی به شکل حرکت است. وقتی زیر نور خورشید می ایستید، مولکول های بدن مقداری از انرژی آن را جذب می کنند و در نتیجه سریعتر شروع به ارتعاش می کنند. گرمایی که احساس می کنید فقط همان ارتعاشات کوچکی است که افزایش می یابد.

کیوبیت‌ها به قدری ظریف هستند که حتی مقدار کمی انرژی می‌تواند فرد را از حالت خود خارج کند، که در نحوه تعامل کیوبیت‌ها با یکدیگر اختلال ایجاد می‌کند. این از دست دادن، عدم انسجام نامیده می شود و احتمال یک پاسخ اشتباه را افزایش می دهد. هر چه یک کامپیوتر کوانتومی در معرض انرژی بیشتری قرار گیرد، محاسبات آن از دقت کمتری برخوردار است. به همین دلیل است که آی‌بی‌ام و دیگر شرکت‌های محاسباتی کوانتومی تلاش می‌کنند تا جایی که می‌توانند به صفر مطلق نزدیک شوند، بنابراین حرارت کمتری برای به هم زدن کیوبیت‌ها وجود دارد.

اگر تا به حال یک کامپیوتر کوانتومی دیده باشید، احتمالا متوجه شده اید که شبیه یک لوستر علمی تخیلی است که آویزان شده و به سمت پایین باریک تر می شود. این همان یخچال رقیق‌سازی است که پشته‌ای از صفحات فلزی است که هر کدام سردتر از بالای آن است. قسمت بالایی در دمای اتاق قرار می گیرد. پایین سردترین نقطه در دستگاه است و پردازنده همانجا آویزان است. اما یک گرفتاری وجود دارد. سیم‌هایی که کیوبیت‌ها را کنترل می‌کنند از دمای اتاق می‌آیند و سیم‌ها گرما را هدایت می‌کنند، بنابراین هر یک از آنها گرما را به سمت همان چیزی که یخچال سعی دارد از آن محافظت کند، می‌برد.

این یک پارادوکس را ایجاد می کند: هر چه یک دستگاه کیوبیت بیشتری داشته باشد، به سیم بیشتری نیاز دارد و گرمتر می شود.

نه، هر کامپیوتر کوانتومی حول یک یخچال بزرگ ساخته نشده است. ماشین‌های اتم خنثی، مانند ماشین‌هایی که QuEra می‌سازد، اتم‌های منفرد را در یک محفظه خلاء کوچک به دام می‌اندازند و از لیزر برای خنک کردن آنها تا دمای میکروکلوین، سردتر از هر یخچالی استفاده می‌کنند. دیواره های محفظه و تجهیزات اطراف آن در دمای اتاق باقی می مانند. مشکل سیم کشی بیشتر برطرف می شود، زیرا پشته سردی برای گرم شدن سیم ها وجود ندارد.

ماشین‌های فوتونیک، که از ذرات نور به عنوان کیوبیت استفاده می‌کنند، مشابه هستند: بسیاری از قطعات آن‌ها در دمای اتاق کار می‌کنند، اما آشکارسازهای تک فوتون معمولا هنوز به خنک‌سازی نیاز دارند. هر رویکرد مشکل خنک‌سازی را با مشکل دیگری مبادله می‌کند، مانند به دام انداختن هزاران اتم یا شناسایی تک فوتون‌ها به طور قابل اعتماد.

پس وقتی مشکل خنک کننده را حل کنیم و یک کامپیوتر کوانتومی قابل اعتماد و کارآمد داشته باشیم، چه اتفاقی می افتد؟ مانند بسیاری از جهش های تکنولوژیکی، مزایای واقعی و خطر واقعی را به همراه دارد. رایانه‌های کوانتومی در همه چیز سریع‌تر نیستند، اما برای مشکلات خاص، مانند شبیه‌سازی مولکول‌ها برای یک داروی جدید، می‌توانند به طرز چشمگیری سریع‌تر باشند. آنها همچنین می توانند رمزگذاری کلید عمومی را که از لاگین و بیت کوین شما محافظت می کند، بشکنند. برآورد هوش مصنوعی کوانتومی گوگل در سال 2025، هزینه شکستن کلید استاندارد RSA-2048 را کمتر از 1 میلیون کیوبیت نویزدار نشان می‌دهد که از 20 میلیون کیوبیت در سال 2019 کاهش یافته است.

یک مقاله گوگل در سال 2026، طرح امضای بیت کوین را کمتر از 500000 نشان داد. ماشین‌های امروزی صدها تا هزاران پایین دارند، بنابراین فردا این اتفاق نمی‌افتد. و راه حل از قبل وجود دارد: موسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) اولین استانداردهای رمزگذاری پس کوانتومی خود را در آگوست 2024 نهایی کرد و آنها را برای استفاده فوری آماده کرد.

در حال حاضر، بخش سخت این نیست که کامپیوترهای کوانتومی پس از کار چه کاری انجام خواهند داد. آنها را آنقدر سرد نگه می دارد که اصلا کار کنند.