به گزارش ایران نت، ژاپن گام تازهای در مسیر توسعه رایانش کوانتومی برداشته و نخستین کامپیوتر کوانتومی کامل خود را که میتواند در دمای اتاق کار کند، راهاندازی کرده است. این سیستم که Shunkai نام دارد، از اتمهای خنثی بهعنوان کیوبیت استفاده میکند و در مرحله نخست با ظرفیت ۵۰ کیوبیت وارد مدار شده است. اهمیت این پروژه فقط به تعداد کیوبیتها محدود نمیشود؛ چراکه Shunkai بهعنوان یک سامانه Full-Stack طراحی شده و سختافزار، سامانه کنترل و نرمافزار موردنیاز برای اجرای محاسبات را در یک مجموعه در اختیار پژوهشگران قرار میدهد.
تیم ژاپنی سازنده این کامپیوتر کوانتومی هدف بلندپروازانهای نیز برای سالهای آینده در نظر گرفته است. برنامه فعلی این است که ظرفیت Shunkai تا مارس ۲۰۳۱ به حدود ۱۰ هزار کیوبیت برسد. اگر این برنامه طبق زمانبندی پیش برود، ژاپن میتواند یکی از پروژههای مهم خود را برای توسعه رایانش کوانتومی مقیاسپذیر در اختیار داشته باشد؛ هرچند فاصله میان یک نمونه آزمایشی ۵۰ کیوبیتی و سامانهای با ۱۰ هزار کیوبیت همچنان بسیار قابلتوجه است.
Shunkai چیست و چرا راهاندازی آن اهمیت دارد؟
بسیاری از پروژههای رایانش کوانتومی در جهان روی بخش مشخصی از زنجیره فناوری تمرکز دارند؛ برای مثال، یک گروه ممکن است روی ساخت کیوبیت کار کند و گروهی دیگر روی روشهای کنترل یا نرمافزارهای کوانتومی. اما مفهوم Full-Stack Quantum Computer به سیستمی اشاره دارد که لایههای مختلف موردنیاز برای استفاده از یک کامپیوتر کوانتومی را در کنار یکدیگر قرار میدهد.
Shunkai از همین منظر اهمیت پیدا میکند. این سیستم علاوه بر سختافزار کوانتومی، لایههای کنترلی و نرمافزار لازم برای دریافت ورودی و ارائه خروجی را نیز در اختیار دارد. بنابراین، پژوهشگران میتوانند با آن به شکل نزدیکتری به تجربه کار با یک سامانه محاسباتی کامل نزدیک شوند، نه اینکه صرفاً با یک آزمایشگاه سختافزاری یا مجموعهای از کیوبیتهای جداگانه سروکار داشته باشند.
تیم توسعهدهنده قصد دارد در ادامه دسترسی به این سیستم را برای پژوهشگران خارج از ژاپن و کاربران بینالمللی نیز فراهم کند. چنین دسترسیای میتواند به آزمایش الگوریتمهای کوانتومی، بررسی کاربردهای صنعتی و دانشگاهی و همچنین توسعه نرمافزارهای جدید برای سختافزارهای مبتنی بر اتم خنثی کمک کند.
کامپیوتر کوانتومی دمای اتاق چگونه کار میکند؟
یکی از ویژگیهای مهم Shunkai استفاده از اتمهای خنثی بهعنوان کیوبیت است. در برخی معماریهای رایج رایانش کوانتومی، برای حفظ شرایط پایدار کیوبیتها به تجهیزات بسیار پیچیده و دماهای فوقالعاده پایین نیاز است. همین مسئله یکی از موانع مهم در مسیر ساخت سیستمهای بزرگتر به شمار میرود.
اما در معماری مبتنی بر اتم خنثی، اتمها میتوانند با استفاده از فناوریهای نوری کنترل و در موقعیتهای مشخص نگه داشته شوند. Shunkai نیز از روشی موسوم به موچینهای نوری یا Optical Tweezers برای بهدامانداختن و کنترل اتمها استفاده میکند.
در این روش، پرتوهای لیزر بسیار دقیق مانند ابزاری برای نگهداشتن اتمها عمل میکنند. پژوهشگران میتوانند با تنظیم این میدانهای نوری، موقعیت اتمها را کنترل کرده و شرایط لازم برای انجام عملیات کوانتومی را فراهم کنند. این معماری به دلیل قابلیت کنترل تعداد زیادی اتم و چیدمان آنها، یکی از مسیرهای مورد توجه برای افزایش مقیاس سامانههای کوانتومی است.
۵۰ کیوبیت در شروع؛ هدف ۱۰ هزار کیوبیت در سال ۲۰۳۱
Shunkai در زمان راهاندازی با ۵۰ کیوبیت فعالیت خود را آغاز کرده است. این عدد در مقایسه با هدف نهایی پروژه، تنها نقطه شروع محسوب میشود. تیم سازنده امیدوار است ظرفیت سیستم را طی سالهای آینده به شکل چشمگیری افزایش دهد و تا مارس ۲۰۳۱ به ۱۰ هزار کیوبیت برساند.
افزایش تعداد کیوبیتها بهتنهایی برای ساخت یک کامپیوتر کوانتومی قدرتمند کافی نیست. هرچه تعداد کیوبیتها بیشتر شود، کنترل آنها، هماهنگسازی عملیات، مدیریت خطاها و حفظ کیفیت اطلاعات کوانتومی نیز دشوارتر خواهد شد. بنابراین، رسیدن از ۵۰ به ۱۰ هزار کیوبیت یک چالش مهندسی بزرگ است و موفقیت آن به پیشرفت همزمان چندین فناوری وابسته خواهد بود.
با این حال، معماری اتم خنثی یکی از گزینههایی است که پژوهشگران برای ساخت سیستمهای بزرگمقیاس دنبال میکنند. اگر کنترل تعداد زیادی اتم با دقت بالا امکانپذیر باشد، میتوان از همین رویکرد برای ساخت سامانههایی با ظرفیت بسیار بیشتر استفاده کرد.
چرا افزایش تعداد کیوبیتها بهتنهایی کافی نیست؟
در رایانش کلاسیک، اطلاعات با بیتهایی نمایش داده میشوند که میتوانند مقدار صفر یا یک داشته باشند. در رایانش کوانتومی، واحد پایه اطلاعات کیوبیت است. یک کیوبیت میتواند در شرایط مناسب در حالت صفر، یک یا برهمنهی از این دو حالت قرار داشته باشد.
این ویژگی امکان اجرای روشهای محاسباتی متفاوتی را فراهم میکند، اما در عین حال کیوبیتها بسیار حساس هستند. کوچکترین اختلال محیطی میتواند وضعیت کوانتومی آنها را تغییر دهد و باعث ایجاد خطا در محاسبات شود.
به همین دلیل، توسعه کامپیوترهای کوانتومی فقط یک مسابقه برای افزایش تعداد کیوبیتها نیست. کیفیت کیوبیتها، میزان خطا، روش کنترل، ارتباط میان اجزای سیستم و توانایی اصلاح خطا نیز اهمیت بسیار زیادی دارند. یک سامانه با تعداد بسیار زیاد کیوبیت اما خطای بالا لزوماً نمیتواند در عمل محاسبات مفیدی انجام دهد.
تصحیح خطای کوانتومی؛ یکی از بزرگترین چالشها
یکی از حوزههای اصلی تحقیقات کوانتومی، Quantum Error Correction یا تصحیح خطای کوانتومی است. در این روشها تلاش میشود اطلاعات کوانتومی به شکلی افزونه رمزگذاری شود تا بروز خطا در بخشی از سیستم الزاماً به نابودی کل محاسبه منجر نشود.
اهمیت این موضوع زمانی بیشتر مشخص میشود که بدانیم کیوبیتهای فیزیکی نسبت به بیتهای معمولی بسیار شکنندهتر هستند. در یک کامپیوتر کلاسیک، خطاهای سختافزاری باید بسیار نادر باشند تا سیستم بتواند برای مدت طولانی عملکرد قابل اعتماد داشته باشد. در رایانش کوانتومی، کنترل خطا و کاهش اثرات آن یکی از بخشهای اساسی طراحی سیستم محسوب میشود.
بنابراین اگر Shunkai در آینده به ظرفیت ۱۰ هزار کیوبیت برسد، یکی از پرسشهای مهم این خواهد بود که این کیوبیتها با چه کیفیتی کار میکنند و سیستم تا چه اندازه میتواند خطاهای ناشی از محیط و عملیات محاسباتی را مدیریت کند.
ادغام Shunkai با ابررایانش و پردازندههای گرافیکی
یکی دیگر از برنامههای مطرحشده برای این پروژه، ادغام Shunkai با یک مرکز موجود برای ابررایانش اشتراکی است. هدف از این کار ایجاد یک محیط پردازشی هیبریدی کوانتومی-گرافیکی یا Quantum-GPU عنوان شده است.
رایانش کوانتومی قرار نیست الزاماً جایگزین تمام رایانههای کلاسیک شود. یکی از سناریوهای مهم آینده، همکاری میان پردازندههای کلاسیک و سامانههای کوانتومی است. در چنین معماریای، کامپیوترهای معمولی میتوانند بخشی از محاسبات، آمادهسازی داده و مدیریت فرآیند را بر عهده بگیرند و پردازنده کوانتومی نیز برای مسائل خاص وارد عمل شود.
پردازندههای گرافیکی نیز به دلیل توان پردازشی بالا در محاسبات موازی میتوانند بخشی از چنین زیرساختی باشند. ترکیب منابع کلاسیک، GPU و پردازنده کوانتومی میتواند به پژوهشگران اجازه دهد هر بخش از یک مسئله را با مناسبترین نوع سختافزار پردازش کنند.
کامپیوترهای کوانتومی چه کاربردهایی دارند؟
هدف از توسعه رایانش کوانتومی صرفاً ساخت رایانههایی سریعتر برای اجرای نرمافزارهای روزمره نیست. معماری کوانتومی برای برخی مسائل خاص میتواند روش محاسباتی متفاوتی ارائه دهد.
از جمله حوزههایی که معمولاً در ارتباط با رایانش کوانتومی مورد مطالعه قرار میگیرند میتوان به شبیهسازی سامانههای مولکولی و مواد، برخی مسائل بهینهسازی، طراحی دارو، مدلسازی علمی و برخی مسائل رمزنگاری اشاره کرد. البته وجود یک کاربرد بالقوه به این معنا نیست که کامپیوترهای کوانتومی فعلی بتوانند همین حالا آن مسئله را در مقیاس صنعتی حل کنند.
بخش قابلتوجهی از این کاربردها هنوز در مرحله پژوهش قرار دارند و رسیدن به سامانههای مقاوم در برابر خطا و مقیاسپذیر برای استفاده گسترده، نیازمند پیشرفتهای بیشتری است.
نام Shunkai از کجا آمده است؟
نام این کامپیوتر کوانتومی نیز ریشهای ژاپنی دارد. Shunkai با الهام از نام هارومی شیبوکاوا، ستارهشناس ژاپنی قرن هفدهم، انتخاب شده است. این انتخاب با ماهیت پروژه که در مرز میان فیزیک، علوم محاسباتی و فناوریهای پیشرفته قرار دارد، ارتباط نمادین دارد.
ژاپن در سالهای اخیر سرمایهگذاری و تحقیقات گستردهای در زمینه فناوریهای کوانتومی انجام داده است و پروژههایی مانند Shunkai بخشی از تلاش این کشور برای توسعه زیرساختهای بومی در این حوزه محسوب میشوند.
آیا Shunkai واقعاً یک کامپیوتر کوانتومی دمای اتاق است؟
عبارت «دمای اتاق» در مورد چنین سیستمهایی باید با دقت تفسیر شود. منظور اصلی این است که معماری کیوبیتی مبتنی بر اتمهای خنثی به سامانههای فوقسرد متکی نیست و میتواند در شرایط محیطی بسیار نزدیکتر به دمای معمول کار کند. این موضوع با تصور یک رایانه معمولی که تمام اجزای آن بدون هیچ تجهیزات کنترل دقیق در دمای اتاق قرار گرفتهاند، تفاوت دارد.
حتی در معماریهای اتم خنثی، تجهیزات نوری، لیزرها، سیستمهای کنترل و ابزارهای دقیق برای ایجاد و حفظ وضعیت کوانتومی موردنیاز هستند. بنابراین حذف نیاز به سرمایش شدید یک مزیت مهم محسوب میشود، اما به معنای سادهشدن کامل زیرساخت کامپیوتر کوانتومی نیست.
مسیر ژاپن از ۵۰ کیوبیت تا یک سامانه بزرگمقیاس
راهاندازی Shunkai را میتوان نقطه شروع یک برنامه بلندمدت دانست. ظرفیت ۵۰ کیوبیتی فعلی بیشتر برای توسعه و آزمایش فناوری اهمیت دارد و هدف ۱۰ هزار کیوبیت نشان میدهد که سازندگان به دنبال ساخت سامانهای در مقیاس بسیار بزرگتر هستند.
موفقیت این مسیر به عوامل مختلفی مانند افزایش تعداد اتمهای قابل کنترل، بهبود دقت عملیات، کاهش خطا، توسعه روشهای تصحیح خطای کوانتومی و ایجاد نرمافزارهای مناسب بستگی دارد. همچنین زیرساختهای ارتباطی میان سیستم کوانتومی و منابع پردازشی کلاسیک باید بتوانند با افزایش ظرفیت هماهنگ شوند.
اگر برنامه توسعه Shunkai طبق برنامه پیش برود، این سیستم میتواند به یکی از بسترهای مهم پژوهشی ژاپن برای بررسی کاربردهای رایانش کوانتومی تبدیل شود. فراهمشدن دسترسی برای پژوهشگران بینالمللی نیز میتواند دامنه آزمایشها و توسعه نرمافزارهای مرتبط با این معماری را افزایش دهد.
چرا این پروژه برای آینده رایانش مهم است؟
اهمیت Shunkai فقط در عدد ۵۰ کیوبیت یا وعده رسیدن به ۱۰ هزار کیوبیت خلاصه نمیشود. این پروژه همزمان چند مسئله مهم رایانش کوانتومی را هدف گرفته است: استفاده از اتمهای خنثی، کاهش وابستگی به سامانههای فوقسرد، ایجاد یک معماری Full-Stack و اتصال منابع کوانتومی به زیرساختهای پردازشی کلاسیک.
البته هنوز نمیتوان گفت این سیستم قرار است در آینده نزدیک جای ابررایانههای امروزی را بگیرد. رایانش کوانتومی همچنان با چالشهای بنیادی در زمینه خطا، کنترل کیوبیتها و مقیاسپذیری مواجه است. اما حرکت از آزمایشهای محدود به سمت ساخت یک سامانه کامل و قابل دسترسی، مرحله مهمی در مسیر توسعه این فناوری محسوب میشود.
اگر ژاپن بتواند ظرفیت Shunkai را در سالهای آینده از ۵۰ کیوبیت به هزاران کیوبیت افزایش دهد و همزمان کیفیت عملیات کوانتومی را حفظ کند، این پروژه میتواند اطلاعات ارزشمندی درباره امکان ساخت نسل بعدی کامپیوترهای کوانتومی مبتنی بر اتم خنثی ارائه دهد. در نهایت، ارزش واقعی چنین سامانهای نه فقط با تعداد کیوبیتها، بلکه با توانایی آن برای اجرای محاسبات قابل اعتماد و حل مسائل واقعی سنجیده خواهد شد.
برای اطلاعات بیشتر درباره تازهترین تحولات فناوری و رایانش کوانتومی به ایران نت مراجعه کنید.
“`
