به دنیای شگفتانگیز محاسبات کوانتومی و واحد بنیادی آن یعنی «کیوبیت» خوش آمدید. در این مقاله، با مفاهیم کلیدی و اصطلاحات پایهای مرتبط با کیوبیت و کامپیوترهای کوانتومی آشنا میشوید؛ حوزهای انقلابی که میتواند دنیای کشف دارو، طراحی مواد پیشرفته و هوش مصنوعی را دگرگون کند.
هر سیستم محاسباتی به واحد پایهای برای ذخیره و پردازش اطلاعات نیاز دارد و در دنیای کوانتومی این نقش را «کیوبیت» یا بیت کوانتومی بر عهده دارد. کیوبیت کوچکترین واحد اطلاعات در کامپیوتر کوانتومی است و تمام توان خارقالعاده این ماشینها از روشهای خاص کدگذاری و دستکاری همین کیوبیتها ناشی میشود.
در کامپیوترهای کلاسیک، واحد اصلی اطلاعات «بیت» است که فقط میتواند در یکی از دو حالت قطعی ۰ یا ۱ قرار بگیرد و تمام محاسبات روی ترکیبهای ثابت این دو مقدار انجام میشود. در مقابل، کیوبیت با تکیه بر پدیده «برهمنهی» میتواند بهطور همزمان ترکیبی از حالتهای ۰ و ۱ را نمایش دهد و همین ویژگی، منشأ برتری بالقوه کامپیوترهای کوانتومی در حل برخی مسائل بسیار پیچیده نسبت به سامانههای کلاسیک است.
کیوبیتها بسیار حساس و شکنندهاند و برهمکنشهای ناخواسته با محیطی مثل دما، لرزش یا میدانهای الکترومغناطیسی میتواند حالت کوانتومی آنها را تخریب کرده و به یک حالت کلاسیک ساده تبدیل کند؛ پدیدهای که «واهمدوسی» نام دارد. واهمدوسی بزرگترین مانع در مسیر ساخت پردازندههای کوانتومی پایدار و مقیاسپذیر است و به همین دلیل کنار طراحی کیوبیتها، معماری گیتهای کوانتومی و سیستمهای کنترل، باید بهدقت برای کاهش نویز و خطا مهندسی شوند.
برای آنکه کیوبیتها فقط یک مفهوم نظری نباشند و بتوان با آنها محاسبه انجام داد، نیاز به مجموعهای از دستورالعملها به نام «گیتهای کوانتومی» است. هر گیت کوانتومی با اعمال یک تبدیل مشخص روی وضعیت یک یا چند کیوبیت، ساخت بلوکهای اساسی الگوریتمهای کوانتومی را ممکن میکند؛ مشابه نقشی که گیتهای منطقی در مدارهای کلاسیک دارند.
گیت کوانتومی، یک عمل ریاضی برگشتپذیر روی حالت کوانتومی کیوبیت است و میتواند برهمنهی و درهمتنیدگی میان چند کیوبیت را ایجاد یا تغییر دهد. ترکیب توالیهای مختلف از این گیتها روی رجیسترهای چندکیوبیتی، اساس اجرای الگوریتمهایی مانند شُور، گروور و شبیهسازیهای مولکولی را تشکیل میدهد.
«وفاداری» گیت کوانتومی معیاری است که نشان میدهد اجرای یک عمل روی کیوبیتها تا چه حد به رفتار ایدهآل و بدون خطا نزدیک بوده است و معمولاً بهصورت درصد گزارش میشود. رسیدن به وفاداری در محدوده ۹۹.۹٪ و بالاتر (سه و چهار «۹») برای اجرای مدارهای عمیق و طولانی روی تعداد زیادی کیوبیت حیاتی است، چون حتی خطاهای بسیار کوچک در مقیاس میلیونها عملیات میتوانند نتایج نهایی را کاملاً مخدوش کنند.
بهدلیل همین شکنندگی کیوبیتها و محدودیت وفاداری گیتها، خطا در محاسبات کوانتومی اجتنابناپذیر است و به چارچوبی به نام «تصحیح خطای کوانتومی» نیاز داریم. ایده اصلی QEC آن است که اطلاعات یک کیوبیت منطقی در مجموعهای از کیوبیتهای فیزیکی توزیع شود تا با اندازهگیریهای کمکی بتوان اثر خطا را شناسایی و بدون تخریب اطلاعات، آن را جبران کرد.
در معماریهای واقعی، «کیوبیت فیزیکی» همان عنصر سختافزاری است که مستقیماً نویز را تجربه میکند، در حالیکه «کیوبیت منطقی» یک موجودیت انتزاعی و پایدارتر است که روی چندین کیوبیت فیزیکی سوار شده و با کمک کدهای تصحیح خطا محافظت میشود. تجربه شرکتهایی مانند Quantinuum نشان داده که میتوان با ترکیب دهها کیوبیت فیزیکی، تعداد کمتری کیوبیت منطقی با نرخ خطای بسیار پایینتر ساخت و این گام مهمی در راه رسیدن به کامپیوترهای کوانتومی خطاپذیر و مقیاسپذیر است.
«برتری کوانتومی» به لحظهای اشاره دارد که یک دستگاه کوانتومی واقعی و متشکل از کیوبیتها، مسئلهای را سریعتر از هر ابررایانه کلاسیک شناختهشده حل کند، حتی اگر آن مسئله کاربرد مستقیم نداشته باشد. این نقطه عطف نشان میدهد که ترکیب تعداد مشخصی کیوبیت فیزیکی، گیتهای با وفاداری بالا و مدیریت خطا میتواند به برتری عملی روی سختافزارهای کلاسیک منجر شود.
نمونه معروف، پردازنده Sycamore گوگل با چند ده کیوبیت فیزیکی است که در سال ۲۰۱۹ برای حل یک مسئله نمونهبرداری تصادفی به کار رفت و مدت اجرای آن، در مقایسه با تخمین زمان لازم روی ابررایانههای کلاسیک، بهعنوان شواهدی از برتری کوانتومی ارائه شد. هرچند این ادعا با بحثهای فنی از سوی دیگران همراه بود، اما بهخوبی نشان داد که وقتی تعداد کافی کیوبیت و کیفیت گیتها به حد مشخصی برسد، رژیم جدیدی از توان محاسباتی در دسترس قرار میگیرد.
ساخت کامپیوتر کوانتومی فقط یک مسئله نظری نیست و نگه داشتن کیوبیتها در شرایط پایدار، نیاز به راهحلهای مهندسی پیشرفته دارد. در معماریهای مبتنی بر یون به دام افتاده، هر کیوبیت یک یون باردار است که باید در خلأ بالا و دماهای بسیار پایین نگهداری شود و این کار با تکنیکهایی مانند خنکسازی لیزری انجام میشود.
در چنین سامانههایی، بخش بزرگی از زمان اجرای یک مدار کوانتومی نه صرف خود گیتها، بلکه صرف جابهجایی یونها و خنکسازی آنها تا نزدیک حالت پایه میشود و به همین دلیل، خنکسازی به گلوگاه سرعت تبدیل میگردد. نوآوریهایی مانند بهبود طراحی گیتها برای دستیابی به وفاداری بالا در دماهای بالاتر، نشان میدهد که چگونه پیشرفتهای مهندسی مستقیماً بر کارایی عملی کیوبیتها اثر میگذارند.
منبع:
کتاب فناوریهای کوانتومی و راهبرد نظامی نوشتهی پرفسور آجی لل.
برای مطالعه بیشتر به مقالات قبلی ما در سایت مراجعه نمایید:
محقق و پژوهشگر
کارشناس ارشد مهندسی مواد و متالورژی
برقسازی دریاها: ژنراتور با شفت آهنربای دائم در شرایطی که فشارهای مقرراتی بهطور مداوم افزایش مییابند و قیمت سوخت روندی صعودی دارد، مالکان و بهرهبرداران کشتی باید هرچه سریعتر خود را با الزامات جدید تطبیق دهند. در غیر این صورت، خطر عقبماندن از رقابت در صنعت حملونقل دریایی بهطور جدی آنها را تهدید میکند. امروزه […]
شواهد ماهوارهای: پیشرانه هستهای در کارخانه کشتیسازی دالیان به دنبال انتشار تصاویری در ماه اکتبر که پیشرفت ساخت یک سوپرکریر (Supercarrier) جدید چینی را تایید میکرد، اندیشکده ژاپنی «مؤسسه ملی تحقیقات سیاست پایه» (NIPPR) ارزیابی جدیدی از تصاویر ماهوارهای کارخانه کشتیسازی دالیان ارائه کرده است. تصاویر جدید در ماه نوامبر، نصب یک سازه مهار رآکتور […]
ظهور، سقوط و تولد دوباره: چرا «هوش مصنوعی نمادین» دوباره جذاب شده است؟ در دنیای امروز وقتی صحبت از هوش مصنوعی میشود، ذهن اکثر ما به سمت «یادگیری عمیق» (Deep Learning) و مدلهای زبانی بزرگ مثل GPT میرود. اما قبل از اینکه شبکههای عصبی دنیا را تسخیر کنند، پادشاه دیگری بر دنیای AI حکومت میکرد: […]
مقدمه: بحران وجودی و رنسانس تکنولوژیک در دریانوردی صنعت کشتیرانی بینالمللی، که به عنوان ستون فقرات تجارت جهانی شناخته میشود و مسئول جابجایی بیش از ۸۰ درصد حجم کالاهای مبادله شده در جهان است، اکنون در آستانه بزرگترین تحول ساختاری خود از زمان جایگزینی بادبان با نیروی بخار در قرن نوزدهم قرار دارد. این صنعت […]