پرسش و پاسخ: کامپیوترهای کوانتومی چگونه جامعه را تغییر خواهند داد؟

ویرایش شده توسط Swati Mestri، بررسی توسط Robert Egan

این مقاله با توجه به روند و سیاست‌های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

کامپیوترهای کوانتومی که زمانی "رویای لوله" نامیده می شد، اکنون به استفاده عملی نزدیک می شوند. شرکت ها و موسسات تحقیقاتی در سراسر جهان در حال رقابت شدید برای توسعه این فناوری هستند، که پتانسیل انجام سریع برخی از محاسبات را دارد که حتی برای ابررایانه های معمولی بسیار دشوار است.

اما دقیقا چه چیزی با رایانه‌های کوانتومی امکان‌پذیر است، و در حال حاضر در مسیر استفاده عملی از کجا قرار داریم؟ با پروفسور تاکوجی میکی از دانشکده تحصیلات تکمیلی علوم، فناوری و نوآوری به گفتگو نشستیم تا درباره آخرین روندها و پیشرفت‌های آینده در این زمینه بیشتر بشنویم.

کامپیوترهای کوانتومی بر اساس اصول مکانیک کوانتومی کار می کنند که پدیده ها را در مقیاس های بسیار کوچک توصیف می کند، مانند اتم ها و الکترون ها. در حالی که رایانه‌های معمولی اطلاعات را با استفاده از بیت‌هایی پردازش می‌کنند که دارای مقدار 0 یا 1 هستند، رایانه‌های کوانتومی از بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت‌ها استفاده می‌کنند که می‌توانند در «ابرجایگاه» حالت‌های 0 و 1 وجود داشته باشند. با بهره‌گیری از این پدیده و دیگر پدیده‌های کوانتومی، رایانه‌های کوانتومی می‌توانند چندین احتمال را به طور همزمان برای انواع خاصی از محاسبات پردازش کنند.

یکی از کاربردهای برجسته در محاسبات برای شیمی است. برای مثال، بیایید محاسبات لازم برای توسعه چیزهایی مانند داروها یا مواد جدید را در نظر بگیریم. شبیه سازی یک واکنش شیمیایی در مقیاس میکرو با استفاده از یک کامپیوتر معمولی به تعداد زیادی محاسبات و در نتیجه زمان زیادی نیاز دارد. با این حال، اگر از یک کامپیوتر کوانتومی استفاده می کنید، چنین محاسباتی به طور بالقوه زمان کمتری را می طلبد.

با این حال، انواع محاسباتی که رایانه‌های کوانتومی در انجام آن برتری دارند، محدود هستند، به این معنی که آنها نمی‌توانند فقط از طریق هیچ محاسبه‌ای سرعت ببخشند. همانطور که گفته شد، محاسبات بسیار مهمی در میان آن گروه وجود دارد. یکی از آنها فاکتورسازی اولیه است. به عبارت دیگر، شکستن یک عدد صحیح به حاصل ضرب اعداد اول (یعنی اعداد صحیح بزرگتر از 1 که فقط بر 1 و خودشان بخش پذیرند). کامپیوترهای معمولی در این نوع محاسبات عالی نیستند.

پشت توجه ناگهانی کامپیوترهای کوانتومی در سال های اخیر چیست؟

اکنون که وارد عصر اطلاعات پیشرفته شده ایم، شاهد افزایش ناگهانی تعداد محاسباتی هستیم که رایانه هایمان انجام می دهند. برنامه‌هایی مانند هوش مصنوعی و ماشین‌های خودران به محاسبات بسیار زیادی نیاز دارند و این تقاضا فقط در حال افزایش است. کامپیوترهای کوانتومی به عنوان یک فناوری محاسباتی جدید که می تواند به آن تغییرات ناگهانی پاسخ دهد، توجه را به خود جلب می کند.

اگر بتوان کامپیوترهای کوانتومی عملی را تحقق بخشید، آنها همچنین می توانند به کاهش انرژی مورد نیاز برای محاسبات کمک کنند. وقتی ابررایانه‌ها محاسباتی را در مدت زمان طولانی انجام می‌دهند، به مقدار زیادی انرژی نیاز دارند، اما اگر بتوانیم از رایانه‌های کوانتومی برای انجام همان محاسبات در مدت زمان کوتاهی استفاده کنیم، می‌توان مصرف انرژی را کاهش داد. مهم است که از این منظر به آن نگاه کنیم.

در مورد تحقیقاتی که در حال حاضر انجام می دهید به من بگویید.

کامپیوترهای کوانتومی حاوی واحدهای اساسی به نام بیت کوانتومی یا "کیوبیت" هستند که محاسبات را انجام می دهند. انواع مختلفی از کیوبیت ها مانند کیوبیت های ابررسانا که توسط شرکت هایی مانند گوگل استفاده می شود و همچنین کیوبیت های یون به دام افتاده و اتم خنثی وجود دارد. گروه تحقیقاتی ما با نوعی به نام "کیوبیت های اسپین سیلیکونی" کار می کند.

سیلیکون در حال حاضر به عنوان ماده ای برای نیمه هادی ها استفاده می شود، بنابراین کیوبیت های چرخشی سیلیکونی را می توان با استفاده از فناوری نیمه هادی موجود ساخت. یکی از ویژگی‌های این کیوبیت‌های اسپین سیلیکونی، سهولت یکپارچگی آنهاست. به عبارت دیگر، چندین کیوبیت را می توان به صورت متراکم روی یک تراشه واحد ادغام کرد. برای بهبود دقت محاسبات انجام شده توسط این رایانه‌های کوانتومی، به تعداد زیادی کیوبیت نیاز داریم و انتظار می‌رود این کیوبیت‌های اسپین سیلیکونی مزیتی در افزایش این تعداد داشته باشند.

در حال حاضر، یک مسئله مهم در مورد کامپیوترهای کوانتومی، تمایل به رخ دادن خطا در حین محاسبات است. برای محدود کردن این خطاها به تکنیکی به نام تصحیح خطای کوانتومی نیاز داریم که از تعداد زیادی کیوبیت استفاده می کند. در حال حاضر، ما انتظار داریم که برای دستیابی به محاسبات کوانتومی عملی به حدود 1 میلیون کیوبیت نیاز داشته باشیم.

کامپیوتر کوانتومی ابررسانا که سال گذشته توسط RIKEN و فوجیتسو معرفی شد دارای 256 کیوبیت است. این باعث می شود که یکی از بزرگترین کامپیوترهای کوانتومی ابررسانا در دسترس کاربران خارجی باشد. تصور می‌کنم در یک دهه آینده شاهد کامپیوترهای کوانتومی با 1000 یا حتی 10000 کیوبیت خواهیم بود. گروه تحقیقاتی ما همچنین در تلاش است تا با استفاده از کیوبیت‌های اسپین سیلیکونی تعداد کیوبیت‌ها را افزایش دهد.

چه نوع رویکردی برای افزایش تعداد کیوبیت ها مورد نیاز است؟

اول از همه، بسیاری از انواع کیوبیت ها باید خنک شوند. از آنجایی که ما در دنیایی با دمای اتاق با مقدار قابل توجهی نویز حرارتی زندگی می کنیم، مشاهده و حفظ پدیده های کوانتومی دشوار است. برای سرکوب نویز، باید از دستگاهی به نام یخچال برودتی استفاده کنید تا دمای آن را نزدیک به صفر مطلق (273.15- ℃ (459.67- درجه فارنهایت) کاهش دهید.

با این حال، افزایش تعداد کیوبیت ها سیم کشی مورد استفاده برای کنترل آنها را نیز افزایش می دهد، به این معنی که گرمای خارجی می تواند وارد محیط برودتی شود. به عنوان راه حلی برای این موضوع، روشی برای قرار دادن خود مدار کنترل در داخل یخچال برودتی ارائه کردیم.

از سوی دیگر، هنگام استفاده از این روش، مدارهای نیمه هادی مورد استفاده در واحد کنترل باید بتوانند در دماهای بسیار پایین کار کنند. دستگاه های نیمه هادی به طور کلی برای عملکرد در دماهای بسیار پایین طراحی نشده اند، بنابراین ما باید به دقت به نحوه عملکرد آنها در دمای نزدیک به صفر مطلق نگاه کنیم. ما هنوز مدل عملیاتی دقیقی نداریم، بنابراین روزهای ما به تخمین زدن و انجام آزمایشات به عنوان بخشی از تحقیقاتمان می گذرد.

همچنین، واحد کنترل انرژی مصرف می کند که باعث تولید گرما و افزایش دما در یخچال برودتی می شود. وقتی این اتفاق می‌افتد، عملکرد کیوبیت‌ها کاهش می‌یابد، بنابراین مانع مهم دیگری که باید بر آن غلبه کنیم، ایجاد یک واحد کنترل است که انرژی بسیار کمی مصرف می‌کند.

به نظر شما کامپیوترهای کوانتومی چه زمانی کاربردی خواهند شد؟

اگر از مقیاس میلیون کیوبیت به‌عنوان معیار استفاده کنیم، با سرعت فعلی‌مان، می‌توانم بگویم شاید بین سال‌های 2035 تا 2040 باشد. حتی شرکت‌هایی وجود دارند که حدود سال 2030 را هدف قرار داده‌اند، بنابراین اوضاع می‌تواند شتاب بیشتری بگیرد.

قبلا اشاره کردم که انواع مختلفی از کیوبیت ها وجود دارد، اما هنوز برنده مشخصی وجود ندارد. با حرکت رو به جلو، یک نوع ممکن است در نهایت غالب شود، یا انواع مختلف ممکن است در کنار هم وجود داشته باشند که هر کدام نقاط قوت و ضعف خود را دارند.

همچنین می‌شنوم که با تبدیل شدن کامپیوترهای کوانتومی به واقعیت، چالش‌های جدیدی ممکن است به وجود بیاید.

قبلا اشاره کردم که فاکتورسازی اول برای کامپیوترهای معمولی دشوار است. برخی از روش های رمزگذاری از این مشکل بهره می برند. گفته می شود که برخی از رمزگذاری های مورد استفاده در ارتباطات مدرن حتی سال ها طول می کشد تا حتی ابررایانه ها شکسته شوند. با این حال، کامپیوترهای کوانتومی به طور بالقوه می توانند چنین رمزگذاری را بشکنند.

یکی از دلایلی که کشورهای سراسر جهان منابعی را برای تحقیقات کامپیوتری کوانتومی به کار می‌برند، همین تهدید است. رمزگذاری حتی در فناوری نظامی نیز مورد استفاده قرار می گیرد، بنابراین رایانه های کوانتومی پتانسیل تخریب سیستم های امنیتی متعارف را دارند. برای مقابله با این، تحقیقاتی در حال حاضر در مورد «رمزنگاری پس کوانتومی»، که شکستن آن حتی برای رایانه‌های کوانتومی دشوار است، و توزیع کلید کوانتومی که از اصول اولیه فیزیک کوانتومی استفاده می‌کند، در حال انجام است.

بیان این نگرانی ها مهم است. حتی شاگردانم را وادار می کنم در کلاس هایم درباره آنها گزارش بنویسند. فناوری کامپیوتر کوانتومی فوق‌العاده است، اما من فکر می‌کنم انجام تحقیق و آموزش و در عین حال حفظ جنبه‌های اخلاقی مهم است.

کامپیوترهای کوانتومی در آینده چگونه مورد استفاده قرار خواهند گرفت؟

کشف دارو و توسعه مواد جدید چند حوزه هستند که انتظار می رود شاهد پیشرفت های بزرگی باشیم. رایانه‌های کوانتومی همچنین برای استفاده در هوش مصنوعی و شبیه‌سازی‌های مالی نویدبخش هستند.

با نگاهی به چالش های جهانی، ممکن است بتوانیم به طور مصنوعی فرآیندی مانند فتوسنتز را که نور خورشید را به انرژی شیمیایی تبدیل می کند، بازتولید کنیم. بازآفرینی یک واکنش شیمیایی که از نور خورشید و CO 2 انرژی تولید می کند دشوار است، اما با استفاده از رایانه های کوانتومی، این احتمال وجود دارد که بتوانیم کاتالیزوری مناسب برای فتوسنتز مصنوعی پیدا کنیم.

با این اوصاف، فکر نمی‌کنم مانند رایانه‌های معمولی، برای هر نفر یک رایانه داشته باشیم. در عوض، من فکر می‌کنم کامپیوترهای کوانتومی در مراکز داده برای بسیاری از افراد راه‌اندازی می‌شوند.

حتی اگر کامپیوترهای کوانتومی عملی را درک کنیم، انواع محاسباتی که کامپیوترهای کوانتومی در آنها برتری دارند محدود است، بنابراین ما همچنان کامپیوترهای معمولی خواهیم داشت. این در واقع بسیار مهم است. من می خواهم تأکید کنم که این بدان معنا نیست که همه رایانه ها با رایانه های کوانتومی جایگزین می شوند.

شما قبلا در صنعت تحقیق کرده اید. این تجربه چگونه در کار فعلی شما خدمت می کند؟

من از دوران دانشجویی به مطالعه مدارهای مجتمع نیمه هادی پرداختم و همچنین در پاناسونیک تحقیقاتی در مورد نیمه هادی ها انجام دادم. مهارت‌ها و تخصص‌هایی که در طول مدت کارم در صنعت ایجاد کردم، اساس تحقیقات فعلی من را تشکیل می‌دهد.

در واقع، زمانی که در سال 2017 شرکت را ترک کردم و به دانشگاه کوبی پیوستم، فکر نمی‌کردم در مورد کامپیوترهای کوانتومی تحقیق کنم. با این حال، دو سال بعد، در سال 2019، گوگل ادعا کرد که به "برتری کوانتومی" دست یافته است و نشان می دهد که یک پردازنده کوانتومی می تواند در یک کار محاسباتی خاص از رایانه های معمولی بهتر عمل کند. این برای من تکان دهنده بود. کامپیوترهای کوانتومی دیگر فقط تئوری نبودند. وارد مرحله مهندسی شده بودند.

من همیشه به مهندسی علاقه داشتم، به همین دلیل تصمیم گرفتم آن را به عنوان رشته تحصیلی خود ادامه دهم. اکنون که کامپیوترهای کوانتومی وارد مرحله جدیدی در مسیر تجاری سازی شده اند، محققان مهندسی مانند من فرصت بیشتری برای مشارکت دارند.

لطفا در مورد چشم انداز تحقیقات خود در حال پیشرفت به من بگویید.

از سال 2020، من بخشی از پروژه ای در برنامه تحقیق و توسعه Moonshot بوده ام، یک برنامه تحقیقاتی در مقیاس بزرگ که توسط دولت ژاپن تامین می شود و با RIKEN و شرکت ها و دانشگاه های مختلف تحقیقات انجام می دهم. تیم من شامل بسیاری از محققان است که در زمینه تحقیقات کامپیوتر کوانتومی سیلیکونی در ژاپن رهبری می‌کنند. هدف فعلی ما نشان دادن سطح معینی از پیشرفت تا سال 2030 است.

ما همچنین باید به آینده ای فکر کنیم که در آن محاسبات کوانتومی به دست آمده است. انتظار می رود کامپیوترهای کوانتومی کاربردهای مهمی در زمینه هایی مانند کشف دارو و بیوتکنولوژی داشته باشند. تحقیقات در زمینه زیست شناسی مهندسی در دانشگاه کوبه در حال رونق است، و شهر کوبه دارای خوشه نوآوری زیست پزشکی KOBE است، جایی که تولید کنندگان پزشکی گرد هم آمده اند، بنابراین ما می خواهیم سیستمی ایجاد کنیم که از این نقاط قوت استفاده کند.

ما در حال تلاش برای ایجاد چارچوبی برای ایجاد مشترک بین رشته ای در دانشگاه کوبه هستیم که فناوری کوانتومی را با پزشکی و بیوتکنولوژی ترکیب می کند.

کامپیوترها در گذشته به اندازه کافی بزرگ بودند که یک اتاق کامل را اشغال کنند، اما در نهایت، هر فردی توانست کامپیوتر خود را داشته باشد و اکنون به اندازه گوشی های هوشمند کوچک شده است. من معتقدم رایانه های کوانتومی نیز در موقعیت های مختلف جامعه مورد استفاده قرار خواهند گرفت و نحوه زندگی ما را به شدت تغییر خواهند داد. فناوری کوانتومی مطمئنا بر زندگی هر فرد در نسل‌های آینده تأثیر می‌گذارد، بنابراین من همچنین می‌خواهم محققان و دانشجویان رشته‌های دیگر درباره آن اطلاعات بیشتری کسب کنند. برای این منظور، امیدوارم بتوانم به افزایش آگاهی در مورد فناوری کوانتومی کمک کنم.

سواتی مستری دارای مدرک لیسانس در مهندسی الکترونیک است و از سال 2019 به عنوان ویرایشگر محتوا کار کرده است. او ویرایش اسناد تحقیقاتی در زمینه فناوری، مراقبت های بهداشتی و علم مواد را تجربه کرده است و علاقه خاصی به فناوری و فضا دارد. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →