برتری محاسبات کوانتومی با فوتونیک

سال گذشته در بیست و سوم اکتبر،  شرکت گوگل اعلام کرد به برتری کوانتومی دست پیدا کرده است. اما برای آشنایی با  برتری کوانتومی کافی است بدانیم اولین نتیجه‌ای که به انتشار این ادعا منجر شد، انجام یک محاسبه‌ در 3 دقیقه و بیست ثانیه بود؛ محاسبه‎ای که در پیشرفته‎ترین کامپیوترهای حال حاضر دنیا ده هزار سال طول می‌کشید. این یک نتیجه خیره کننده است، اینطور نیست؟…

مدت‌هاست که برتری کوانتومی به عنوان  نقطه عطفی در دانش بشر شناخته می‎شود. براساس این نظریه رایانه‌های کوانتومی می‌توانند به شکلی نجومی از رایانه‌های کلاسیک بهتر عمل کنند. سال گذشته شرکت گوگل توانست فقط برای یک مورد بسیار خاص برتری کوانتومی را ثابت و یک شاهد تجربی برای دستیابی به سرعت کوانتومی در یک سیستم واقعی  را رونمایی کند. همین شاهد کافی است تا  نشان‌دهد که مکانیک کوانتومی در هنگام استفاده در یک مسئله پیچیده مطابق انتظار عمل می‌کند و برتری کوانتومی فراتر از یک رویا است.

پیش از انتشار مقاله برتری کوانتومی در Nature، اولین بار گزارش آن توسط Financial Times و سایر رسانه‌ها، منتشر شد. این خبر دقیقاً پس از آن‌که نسخه اولیه این مقاله در وب سایت ناسا، که با گوگل در زمینه محاسبات کوانتومی همکاری می‌کند، فاش شد، انتشار یافت.

فیزیکدانان پیش‌بینی می‌کنند که رایانه‌های کوانتومی قادر باشند الگوریم‌هایی انقلابی اجرا کنند، مثلاً جستجو در پایگاه داده‌های عظیم و بدقلق، عمل بر اعداد بسیار بزرگ و مهمتر از همه الگوریتم‌هایی که در رمزنگاری استفاده می‎شود. الگوریتم گوگل روی تراشه کوانتومی متشکل از 54 کیوبیت با عنوان “سایکامور” اجرا شد. این تراشه از مدارهای ابررسانایی ساخته شده‌ بود که در دمای فوق‌سرد نگهداری می‌شدند. اما این تنها بخش کوچکی از یک میلیون کیوبیتی است که برای یک سیستم کاربردی عمومی مورد نیاز است.

رایانه‌های کوانتومی به‌ طور اساسی متفاوت از ماشین‎های کلاسیک کار می‌کنند: بیت کلاسیک 1 یا 0 است، اما بیت کوانتوم یا کیوبیت می‌تواند همزمان در چندین حالت وجود داشته باشد. هنگامی که کیوبیت‌ها به‌طور جدایی‌ناپذیری به ‌هم پیوند می‌خورند، فیزیکدانان می‌توانند از تداخل بین حالت‌های کوانتومی موج‎مانند برای انجام محاسباتی استفاده کنند که ممکن است میلیون‌‏‎ها‎‏ سال به طول بیانجامد.

با توجه به نقش گسترده این فناوری در آینده جهان و به خصوص در حوزه‌های نظامی و امنیتی، رایانه‌های کوانتومی به مسئله امنیتی تبدیل شده‌اند و آمریکا و چین در سال‌های اخیر به ‌طور گسترده‌ای در این فناوری سرمایه‌گذاری کرده‌اند. در ایالات متحده گوگل و آی بی ام در رقابتی تنگاتنگ در مسیر توسعه رایانه‌های کوانتومی و بحث برتری کوانتومی پیش می‌روند. آی بی ام ادعا کرده محاسبات مشابهی را  به کمک ابررایانه‌های کلاسیک این شرکت در زمان دو و نیم روز انجام داده است و به این ترتیب مطلق بودن مزیت کوانتومی گوگل را به چالش کشیده است. از طرفی محاسبه انجام شده در شرکت گوگل چک کردن خروجی یک تولید کننده اعداد تصادفی کوانتومی است که چندان کاربردی نبوده و بیشتر جنبه اثبات مزیت کوانتومی آن حایز اهمیت است.

 اکنون در واپسین روزهای سال 2020، یک تیم چینی نیز برتری کوانتومی گوگل را به چالش کشیده و ادعا کرده‌است که اولین نمایش واقعی از برتری کوانتومی را به کمک یک مدار فوتونیکی به نمایش گذاشته است!

آن‌ها  با استفاده از پرتوهای نور لیزر، محاسباتی را انجام داده‌اند که عملاً ثابت شده است در کامپیوترهای عادی از نظر ریاضی انجام آن‌ها غیرممکن است. این تیم در عرض چند دقیقه به نتایجی دست یافت که بهترین ابررایانه‌های موجود در جهان نیمی از سن زمین را برای به دست آوردن آن نیاز دارند. بر خلاف اولین نمایش مزیت کوانتومی توسط گوگل، که سال گذشته انجام شد، نسخه تازه توسط رایانه‌های کلاسیکی غیرقابل دسترسی است. نتایج این تحقیق در نشریه Science  منتشر شد.

در این زمینه تیم‌های آزمایشگاه‌های دانشگاهی و شرکتی به منظور نشان دادن مزیت کوانتومی (Quantum Advantage)، که اصطلاح جایگزین آن برتری کوانتومی (Quantum supremacy) است، وارد عمل شدند.
در این تحقیق از فوتون‌ها به‌ عنوان واحد اساسی نور برای نشان دادن قدرت محاسبات کوانتومی استفاده شده ‌است. عنوان محاسبه انجام شده مسئله نمونه برداری بوزون است و هدف از انجام آن تنها نشان دادن مزیت کوانتومی نبوده و دارای کاربردهای عملی بالقوه در نظریه گراف، شیمی کوانتومی و یادگیری ماشین است. این مسئله توسط دو دانشمند کامپیوتر اسکات آرونسون و الکس آرخیپوف در سال 2011 و در موسسه فناوری ماساچوست در کمبریج طراحی شد. حل این مسئله مستلزم محاسبه توزیع احتمال تعداد زیادی از بوزون‎ها است. بوزون‎ها دسته‎ای از ذرات بنیادی هستند که فوتون‌ها را نیز شامل می‎شوند. امواج کوانتومی بوزون‎ها به گونه‎ای با یکدیگر تداخل می‎کند که اساساً موقعیت ذرات را تصادفی می‎کند. احتمال تشخیص یک بوزون در یک موقعیت داده شده را می‌توان از طریق یک معادله در میان تعداد زیادی معادله نامشخص محاسبه کرد.

اما محاسبه این معادله یک “مسئله دشوار #P ” محسوب می‌شود که حتی از مسئله‌های سخت NP که به مسائل فوق سخت معروفند، سخت‌تر است. مسایلی که راه‎حل‎های آن‎ها به صورت نمایی با تعداد متغیرها افزایش می‎یابد. آرونسون و آرخیپوف نشان دادند برای چند ده بوزون هیچ راه میانبرکلاسیکی برای انجام چنین محاسبات ناممکن و طولانی وجود ندارد.

با این حال یک کامپیوتر کوانتومی می‌تواند با استفاده از شبیه ‌سازی فرآیند کوانتومی مستقیم این محاسبات خشن را دور بزند. یعنی اجازه دهد خود بوزون‌ها دخالت کرده و توزیع گوسی حاصل را نمونه‌برداری کنند. برای این منظور فوتون‌ها به‌ عنوان کیوبیت انتخاب شدند. این کار با یک کامپیوتر  کوانتومی فوتونیک که در دمای اتاق کار می‌کرد، به‌دست آمد.

کار با پالس‌های لیزر شروع شد؛ محققان برای نمایش نمونه‌برداری بوزونی گاوسی 50 حالت فشرده تک مد نامشخص را به درون تداخل‌سنج‌های بسیار کم اتلاف 100 حالته ارسال کردند. به این ترتیب اطلاعات در موقعیت‌های فضایی و قطبش حالات فوتونی مخصوص که جهت‌گیری میدان الکترومغناطیسی ویژه فوتون‌ها است، کدگذاری شد. این حالات برای تداخل با یکدیگر و تولید توزیع فوتونی که نشان‌دهنده خروجی است گردآوری شدند. تداخل‌سنج‌ها دارای ماتریس تصادفی و اتصال کامل بوده و کل چینش اپتیکی به صورت قفل شده فازی طراحی شده بود. این تیم، از آشکارسازهای نوری‌ پربازدهی استفاده کرد که قادر به ثبت تک فوتون‌ها برای اندازه‌گیری توزیع آن‌ها بودند. کامپیوتر کوانتومی فوتونیکی این تیم که با نام “جوژانگ” شناخته می‌شود، 76 کلیک فوتون خروجی ایجاد کرد که ابعاد فضای حالت خروجی حاصل از آن 10³⁰ است. این دقیقاً همان رمزگذاری محاسباتی است که انجام آن به صورت کلاسیک بسیار دشوار و عملاً ناممکن است. انجام محاسبات مسئله نمونه‌گیری بوزون حدود 200  ثانیه طول کشید. تخمین زده شده است که این محاسبه با ابررایانه “تایهولایت” چین، 2و نیم میلیارد سال طول می‌کشد. به‌این ترتیب مزیت کوانتومی‌ای حدود10¹⁴ ایجاد شده است.
موسسات و استارت‌آپ‎هایی در  نقاط مختلف جهان در حال کار روی تولید کامپیوترهای کوانتومی کاربردی مبتنی بر فوتونیک هستند. یکی از این استارت‌آپ‌ها “زانادا” در تورنتوی کاناداست که ویدبروک مدیر اجرایی بخش محاسبات کوانتومی آن معتقد است با حل این الگوریتم برای اولین بار مزیت کوانتومی با استفاده از نور یا فوتونیک نمایش داده شده است. با اینکه این پژوهش ادعای برتری کوانتومی قانع کننده‌ای را در مقایسه با هر الگوریتم کلاسیک دیگر ارایه کرده است، ولی دارای یک نقطه ضعف است. مشکل اصلی مدارهای فوتونیکی طراحی شده نسبت به مدارهای گوگل در طرح “سایکامور”، قابل برنامه‌نویسی نبودن آن‌هاست. بنابراین برای حل مسائل عملی نمی‌توان از این مدارها استفاده کرد. در صورتی‌که این تیم بتواند یک تراشه قابل برنامه نویسی مناسب طراحی کند، چندین مسئله مهم محاسباتی با روش محاسبات کوانتومی مبتنی بر فوتونیک حل خواهد شد. نحوه استقرار پروتئین‌ها کنار یکدیگر و چگونگی نوسان مولکول‌ها از جمله این مسایل است.
اگر چه محاسبات کوانتومی فوتونیکی نسبت به سایر رویکردها دیرتر آغاز شده است اما به صورت بالقوه قابلیت جهش فوق‌العاده‎ای برای پشت سر گذاشتن بقیه روش‌ها را دارد. جهشی که می‌تواند به زودی انقلاب جهانی دیگری را رقم و رایانه‌های کلاسیک را به تاریخ پیوند بزند!

 

 

منابع:

https://www.nature.com/articles/d41586-019-03213-z

https://www.nature.com/articles/d41586-020-03434-7

https://science.sciencemag.org/content/370/6523/1460