آیا پردازش کوانتومی می تواند مثل پردازش کلاسیک راهش را به دنیای واقعی باز کند؟ - شیوا مارکت

با نگاهی به مثال های نه چندان زیاد استفاده از پردازش کوانتومی در جهانی واقعی، این پیش بینی به طور یقین جالب توجه است. و بی شمار حوزه مختلف در صنعت تکنولوژی وجود دارد که می توانند درستی پیش بینی IDC را اثبات کنند.

در واقع طی نمایشگاه Consumer Electronics Show که اوایل سال جاری میلادی برگزار گشت، عظیم ترین سر و صدا متعلق نه به اسمارت فون ها، نه به دیوایس های پوشیدنی و نه به تکنولوژی های اتومبیل های خودران، بلکه متعلق به قدرت پردازشی در حوزه ای از فیزیک کوانتوم بود که آلبرت اینشتین آن را تعاملی اسرارآمیز میان دو نقطه که با یکدیگر فاصله دارند توصیف کرده.

اگرچه پردازش کوانتومی هنوز نتوانسته به حل مسائل عدیده جهانی مانند پاندمی ویروس کرونا کمک کند، چنین مسائلی دقیقا همان چیزهایی هستند که کوانتوم پتانسیل رسیدگی به آن ها را دارد. به گفته آی بی ام، یکی از بازیگران اصلی حوزه کوانتوم در صنعت تکنولوژی، این پتانسیل بالاخره تبدیل به واقعیت خواهد شد. کیتی پیزولاتو، مدیر واحد IBM QStart می گوید: در دهه ای هستیم که پردازش کوانتومی شکلی حقیقی به خود خواهد گرفت.

پیزولاتو می گوید که دقیقا به همین خاطر، بهتر است تکنولوژی پردازش کوانتومی در دسترس عموم مردم قرار بگیرد و در اعماق زمین و در تاسیسات پژوهشی مدفون نگردد. او با اشاره به حضور قدرتمند آی بی ام در نمایشگاه CES سال جاری می گوید: ما می خواستیم کوانتوم را از آزمایشگاه ها بیرون و به جهانی واقعی آوریم.

کمپانی هایی مانند گوگل، مایکروسو، دی-ویو و ریجتی هم تمایل به پیش راندن کوانتوم دارند و بنابر آخرین گزارش منتشر شده از سوی IDC تحت عنوان ترندهای استفاده از پردازش کامپیوتری: یافته های نظرسنجی سال 2020، این تکنولوژی در حال دستیابی به گشتاوری مهم است.

بنابر پاسخ های ارائه شده از سوی 520 تن از متخصصین و کسب و کارهای حوزه فناوری اطلاعات، استفاده از پردازش کوانتومی و همین طور سرمایه گذاری روی آن طی 18 الی 24 ماه آینده افزایش خواهد یافت. نیمی از مشارکت کنندگان در این نظرسنجی گفته اند که پردازش کوانتومی سهمی بین 0 الی 2 درصد از زیرساخت های تکنولوژیک سال 2019 داشته است، اما طی 24 ماه آینده این سهم به 7 الی 10 درصد افزایش خواهد یافت.

برای شرکت هایی که بیش از 10 هزار کارمند دارند، هزینه ها قابل توجه تر خواهد بود - بیش از نیمی از پاسخ دهندگان می گویند که طی دو سال پیش رو، بین 9 الی 14 درصد از بودجه را صرف تکنولوژی کوانتوم خواهند کرد.

این افراد ضمناً ذهنیتی روشن از این دارند که می خواهند تمرکزشان را روی چه چیزی بگذارند: 65 درصد از مشارکت کنندگان برای استفاده از پردازش کوانتومی مبتنی بر کلاد برنامه ریزی کرده اند و 45 درصد دیگر هم می خواهند به استفاده از الگوریتم های کوانتومی استفاده کنند (که شامل شبیه سازها، هوش مصنوعی، یادگیری ماشین و یادگیری عمیق می گردد). از سوی دیگر با شبکه های کوانتومی (با سهم 45 درصد)، پردازش کوانتومی هیبریدی (40 درصد) و رمزنگاری کوانتومی (33 درصد)، لیست 5 زمینه برتر کوانتوم از نظر این فعالان حوزه تکنولوژی تکمیل می گردد.

پس برای اینکه مروری کرده باشیم، افرادی که به IDC پاسخ داده اند به پردازش کوانتومی علاقه مند بوده، متمایل به کند و کاو بیشتر در زمینه پردازش کوانتومی مبتنی بر کلاد هستند و نخستین آزمون و خطاهای خود با این تکنولوژی را طی 18 الی 24 ماه آینده آغاز خواهند کرد.

چرا کمپانی ها پردازش کوانتومی می خواهند؟

هدر وست، تحلیلگر ارشد IDC در زمینه سیستم های زیرساختی و پلتفرم ها و همینطور یکی از نویسندگان گزارش، می گوید که پردازش کوانتومی تکنولوژی های فعلی را یک گام فراتر برده و به سراغ حل مسائلی می رود که انبوهی از دیتا راجع به آن ها داریم. ضمناً نخستین حوزه هایی که بیشتر تمرکز را به خود جلب می کنند، هوش مصنوعی، هوش تجاری و افزایش بهره وری خواهند بود.

وست می گوید: کمپانی های بسیار معدودی استفاده از پردازش کوانتومی را به مرحله عملیاتی رسانده اند. مهارت مورد نیاز واقعا پیشرفته است و افرادی بسیار کمی واقعا کوانتوم را درک می کنند. او البته اضافه می کند که ما هنوز در مرحله آزمون و خطا با الگوریتم های مختلف هستیم و کمپانی ها در پی فائق آمدن بر چالش هایی مانند هزینه، امنیت و انتقال دیتا هستند. و در ازای این ها، از همین حالا می توانیم پردازش کوانتومی را در حوزه های مالی و تولیدی به کار ببندیم.

وست عقیده دارد که در برهه کنونی، تمرکز بر اینست که چطور می توان فرایند ها را بهینه سازی کرد. اما در آینده، پردازش کوانتومی به انسان در حل مسائلی مانند مواجهه با تغییرات اقلیمی و بیماری هایی که به سختی درمان می شوند کمک خواهد کرد.

همانطور که او نیز اشاره می کند، پردازش کوانتومی مسائل خودش را هم دارد. از جمله موانع موجود در راستا به کارگیری این فناوری می توان به پیچیدگی آن، محدودیت های مهارتی، کمبود منابع در دسترس، هزینه بالا و دغدغه های امنیتی اشاره کرد. با وجود این حد از چالش، جای تعجب ندارد که وقتی بحث شرکت های حامی پردازش کوانتومی پیش می آید، در نظرسنجی IDC بیشتر از هر شرکت دیگری، به نام های عظیم حوزه تکنولوژی اشاره می گردد.

37 درصد از پاسخ دهندگان به این نظرسنجی، گوگل را به عنوان سرویس دهنده منتخب خود انتخاب کرده اند و بعد هم مایکروسو، آی بی ام و اینتل را به ترتیب با سهم 32 و 27 و 23 درصدی مشاهده می کنیم.

درک پردازش کوانتومی

آنچه پردازش کوانتومی را به مراتب قدرتمندتر از پردازش کلاسیک می کند، اینست که به جای اتکا بر بیت های باینری (که صرفا 0 یا 1 هستند)، پردازش کوانتومی از کیوبیت ها (Qubit) استفاده می کند. کیوبیت ها از آن جایی که در بی شمار ترکیب 0 و 1 مختلف به صورت همزمان یافت می شوند (همان چیزی که اصل برهم نهی نامیده می گردد)، می توانند دیتای بیشتری را پردازش کرده و حجمی عظیم از خروجی های مختلف را تحویل دهند.

علاوه بر برهم نهی، کیوبیت ها می توانند به صورت جفتی در هم بتنند. این در هم تنیدن همان چیزیست که باعث می گردد کامپیوترهای کوانتومی شدیدا قدرتمند باشند. نکته جالب توجه اینکه هیچکس نمی داند چگونه -و اصلا چرا- این اتفاق می افتد و به همین خاطر بود که اینشتین از آن به عنوان تعاملی اسرارآمیز یاد کرده.

در کامپیوترهای کلاسیک، دو برابر کردن حجم بیت ها به شکلی بدیهی به دو برابر قدرت پردازشی بیشتر منتهی می شوند. اما به لطف قابلیت در هم تنیدن کیوبیت ها، افزودن کیوبیت های بیشتر باعث می گردد قدرت پردازشی به صورت تصاعدی افزایش یابد.

اما اگر پتانسیل قدرت پردازشی کیوبیت ها خبری خوب باشد، خبر بد اینست که ماهیتی بسیار شکننده دارند. پیزولاتو از آی بی ام می گوید: هیچ کدام از کیوبیت ها با دیگری یکسان نیستند. در واقع کیوبیت ها بسیار غیر قابل پیش بینی، حساس به نویز محیطی و دارای خطا هستند.

بعد از وقوع یک خطا، کیوبیت ها به شرایط باینتری 0 و 1 باز می گردند. بنابراین هرچه محاسبات برای مدت زمان بیشتری بدون خطا باقی بمانند، محاسبات بهتری به حساب می آیند. پیزولاتو می گوید هدف غایی در این حوزه، مصون ماندن در مقابل خطا است تا چالش برانگیزترین مسائل قابل حل شدن باشند.

می پرسید این خطاها چقدر رایج هستند؟ یک نوسان بسیار اندک در دما یا لرزش می تواند به پدیده ای به نام ناهمدوسی کوانتومی منجر گردد. و درست در لحظه ای که کیوبیت ناهمدوس گردد، محاسبات با خطا روبه رو شده و باید از ابتدا آغاز شوند. به همین خاطر کامپیوترهای کوانتومی معمولا در محیط هایی با دمای نزدیک به صفر مطلق و به دور از اختلالات جهان بیرون نگهداری می شوند.

البته که کیوبیت های بیشتر می توانند مشکل را حل کنند. پیزولاتو توضیح می دهد: رنج 50 کیوبیت چیزیست که هنگام ساخت یک ابر کامپیوتر، کارتان را با آن آغاز می کنید. آی بی ام طی پاییز گذشته خبر از ساخت 14مین کامپیوتر کوانتومی اش داد که سیستمی 53 کیوبیتی است. آن هم درحالی که کامپیوترهای کوانتومی قبلی اش 20 کیوبیتی بودند.

اما این طور نیست که در پردازش کوانتوم همه چیز راجع به کیوبیت ها باشد. سخت افزار در مرکز دایره است، اما بعد الگوریتم ها و اپلیکیشن های مختلفی هم از راه می رسند. به عبارت دیگر، الگوریتم های پیچیده تر برای موفقیت پردازش کوانتومی در جهان واقعی ضروری هستند. کوانتوم کاملا راجع به الگوریتم هایی که می توانید اجرا کنید و میزان پیچیدگی آن الگوریتم هاست.

توسعه کوانتومی

شکاف های مهارتی به صورت کلی یک مشکل عظیم برای حوزه فناوری اطلاعات به حساب می آیند. در زمینه پردازش کوانتومی، این مشکل چندین برابر عظیم تر هم می گردد. می پرسید توسعه کامپیوترهای کوانتومی توسط چه کسانی انجام می گردد؟ پیتر روتن، محقق ارشد و یکی از نویسندگان گزارش IDC می گوید توسعه الگوریتم ها و اپلیکیشن ها توسط سه قشر انجام می گردد:

توسعه دهندگانی که به پردازش کوانتومی تمایل نشان می دهند، توسعه دهندگانی که در گذشته مشاغل مرتبط با فیزیک داشته اند و در نهایت افرادی که روی عملیات های پردازش با پرفورمنس شدیدا بالا کار می کنند. روتن می گوید: اکنون گذاری نرم از الگوریتم های HPC به سمت کوانتوم را شاهد هستیم.

در طرف دیگر ماجرا، گوگل، آی بی ام و دیگر بازیگران هرکدام سخت مشغولند که به مزیت کوانتومی (یعنی نقطه ای که پردازش کوانتومی قادر به حل یک مسئله با سرعت بیشتری از پردازش کلاسیک است) و برتری کوانتومی (زمانی که پردازش کوانتومی قادر به حل مسائلی است که هیچ کامپیوتر رایجی از پس آن ها برنمی آید) دست پیدا کنند.

در واقع آی بی ام اخیرا به صورت عمومی ادعای گوگل مبنی بر دست یابی به برتری کوانتومی با کامپیوتر 53 کیوبیتی اش را تکذیب کرد و محققانش گفتند که گوگل نتوانسته منابع ابر کامپیوترش را به درستی تخمین بزند. بلاگ IBM Research طی ماه اکتبر گذشته چنین چیزی نوشت:

تصویری که در بالا می بینید متعلق به یکی از کامپیوترهای کوانتومی گوگل است که بدون محفظه خنک کننده اش از آن عکس گرفته شده است.

ساخت سیستم های کوانتومی، دستاوردی عظیم از نظر علمی و مهندسی است و بنچمارک کردن آن ها هم چالشی عظیم. آزمایش گوگل یک نمایش معرکه از پیشرفت پردازش کوانتومی ابر رسانا است و نشان دهنده دروازه هایی که یک دیوایس 53 کیوبیتی باز می کند. اما نباید به این دیوایس به چشم مدرکی دال بر برتری کامپیوترهای کوانتومی بر کامپیوترهای کلاسیک نگاه کرد.

روتن می گوید علی رغم اینکه شرکت های برتر حوزه تکنولوژی به دنبال جایگاهی برتر در زمینه کوانتوم هستند، موضوع راجع به رقابت مستقیم میان رقبا نیست. مقایسه [کاری که هرکدام از] آن ها [انجام می دهند] سخت است. هیچکس نمی تواند به شما بگوید [چه کسی در این حوزه جلو افتاده] چون آن ها پیشرفت های خود را به طرق گوناگون اندازه گیزی می کنند. اینکه حوزه کوانتوم را یک رقابت به حساب آوریم، کاری احمقانه است.

وست هم بر این موضوع صحه گذاشته و می گوید پیشرفت های کوانتومی از طریق همکاری های تکنولوژیک و توسط جامعه توسعه دهندگان به دست خواهند بود. قرار نیست تمام ماجرا تا سرانجام مثل یک مسابقه باشد. به خاطر اینکه شاید تنها یک پاسخ وجود نداشته باشد.

ای بی ام به نوبه خودش شبکه ای از 100 شریک تجاری (مانند گلدمن ساکس، اکسان موبایل و اکنچر)، آکادمیک (مانند ام آی تی، ویرجینیا تک و جان هاپکینز)، استارتاپی، دولتی و تحقیقاتی فراهم آورده است. اما حتی با تلاش های امثال گوگل، آی بی ام و مایکروسو برای به پیش راندن پردازش کوانتومی و رسیدن از مزیت به برتری، هیچکس نمی داند عظیم ترین ابداع توسط چه کسی صورت خواهد گرفت. پیزولاتو می گوید: ارزشمندترین بازیگر این حوزه، احتمالا یک دانشمند در یک دانشگاه باشد.

منبع : دیجیاتو