کیوبیت به جای بیت: کامپیوترهای کوانتومی چه نوع آینده ای را برای ما در نظر گرفته اند؟

یکی از اصلی ترین چالش های علمی زمان ما، رقابت برای ایجاد اولین کامپیوتر کوانتومی مفید است. هزاران فیزیکدان و مهندس در آن شرکت می کنند. آی بی ام، گوگل، علی بابا، مایکروسافت و اینتل در حال توسعه مفاهیم خود هستند. چگونه یک دستگاه محاسباتی قدرتمند دنیای ما را تغییر خواهد داد و چرا اینقدر مهم است؟

یک لحظه تصور کنید: یک کامپیوتر کوانتومی تمام عیار ساخته شده است. به یک عنصر آشنا و طبیعی زندگی ما تبدیل شده است. محاسبات کلاسیک اکنون فقط در مدرسه و در درس تاریخ صحبت می شود. در جایی در اعماق زیرزمین‌های سرد، ماشین‌های قدرتمند روی کیوبیت‌ها کار می‌کنند تا ربات‌های هوشمند مصنوعی را تامین کنند. آنها تمام کارهای خطرناک و ساده یکنواخت را انجام می دهند. با قدم زدن در پارک، به اطراف نگاه می کنید و انواع ربات ها را می بینید. موجودات انسان نما سگ ها را راه می اندازند، بستنی می فروشند، سیم کشی برق را تعمیر می کنند و منطقه را جارو می کنند. برخی از مدل ها جایگزین حیوانات خانگی می شوند.

ما این فرصت را به دست آوردیم که تمام اسرار جهان را فاش کنیم و به درون خود نگاه کنیم. پزشکی به سطح جدیدی رسیده است - داروهای ابتکاری هر هفته در حال توسعه هستند. می توانیم منابع کمیاب مانند گاز و نفت را پیش بینی و تعیین کنیم. مشکل گرمایش زمین حل شده، روش های صرفه جویی در مصرف انرژی بهینه شده است و دیگر ترافیک در شهرها وجود ندارد. کامپیوتر کوانتومی نه تنها تمام ماشین‌های روباتیک را کنترل می‌کند، بلکه حرکت آزاد را نیز تضمین می‌کند: وضعیت جاده‌ها را کنترل می‌کند، مسیرها را تنظیم می‌کند و در صورت لزوم کنترل را از رانندگان می‌گیرد. این چیزی است که عصر کوانتومی ممکن است به نظر برسد.

کوانتومی راش طلا

چشم انداز کاربرد شگفت انگیز است، به همین دلیل است که سرمایه گذاری در توسعه های کوانتومی هر سال در حال رشد است. ارزش بازار جهانی محاسبات کوانتومی در سال 81,6 برابر با 2018 میلیون دلار بود. کارشناسان Market.us تخمین می زنند که تا سال 2026 به 381,6 میلیون دلار برسد. یعنی از سال 21,26 تا 2019 به طور متوسط ​​2026 درصد در سال افزایش می یابد.

این رشد با استفاده فزاینده از رمزنگاری کوانتومی در برنامه‌های امنیتی و با سرمایه‌گذاری سهامداران بازار محاسبات کوانتومی تقویت می‌شود. بر اساس تجزیه و تحلیل مجله علمی Nature، تا ابتدای سال جاری، سرمایه گذاران خصوصی حداقل 52 شرکت فناوری کوانتومی در سراسر جهان را تامین مالی کرده اند. بازیگران بزرگی مانند IBM، Google، Alibaba، Microsoft، Intel و D-Wave Systems در حال تلاش برای ایجاد یک کامپیوتر کوانتومی عملا قابل اجرا هستند.

بله، تا زمانی که پولی که هر سال به این حوزه سرازیر می‌شود، هزینه کمی را نشان می‌دهد (در مقایسه با 2018 میلیارد دلار سرمایه‌گذاری هوش مصنوعی در سال 9,3). اما این اعداد برای صنعت نابالغی که هنوز از شاخص های عملکردی برخوردار نیست، قابل توجه است.

حل مسائل کوانتومی

شما باید درک کنید که امروزه این فناوری هنوز در مراحل ابتدایی خود است. ایجاد تنها نمونه های اولیه ماشین های کوانتومی و سیستم های آزمایشی منفرد امکان پذیر بود. آنها قادر به اجرای الگوریتم های ثابت با پیچیدگی کم هستند. اولین رایانه 2 کیوبیتی در سال 1998 ساخته شد و بشریت 21 سال طول کشید تا دستگاه ها را به سطح مناسبی که اصطلاحاً «برتری کوانتومی» نامیده می شود، برساند. این اصطلاح توسط جان پرسکیل، استاد دانشگاه کالتک ابداع شد. و این به معنای توانایی دستگاه های کوانتومی برای حل مشکلات سریعتر از قوی ترین رایانه های کلاسیک است.

پیشرفتی در این زمینه توسط شرکت کالیفرنیایی گوگل انجام شد. در سپتامبر 2019، این شرکت اعلام کرد که دستگاه 53 کیوبیتی Sycamore محاسباتی را در 200 ثانیه انجام داد که تکمیل آن یک ابر رایانه پیشرفته 10 سال طول می کشد. این بیانیه جنجال زیادی به پا کرد. IBM قاطعانه با چنین محاسباتی مخالف بود. این شرکت در وبلاگ خود نوشت که ابرکامپیوتر Summit آن تا 000 روز دیگر با این کار کنار خواهد آمد. و تنها چیزی که نیاز است افزایش ظرفیت ذخیره سازی دیسک است. اگرچه در واقعیت این تفاوت چندان بزرگ نبود، اما گوگل در واقع اولین کسی بود که به «برتری کوانتومی» دست یافت. و این یک نقطه عطف مهم در تحقیقات کامپیوتری است. اما هیچ چیز بیشتر. شاهکار Sycamore صرفاً برای اهداف نمایشی است. کاربرد عملی ندارد و برای حل مشکلات واقعی بی فایده است.

مشکل اصلی سخت افزار است. در حالی که بیت های محاسباتی سنتی دارای ارزش 0 یا 1 هستند، در دنیای عجیب کوانتومی، کیوبیت ها می توانند در هر دو حالت همزمان باشند. به این خاصیت برهم نهی می گویند. کیوبیت ها مانند فرفره های چرخان هستند: هم در جهت عقربه های ساعت و هم در خلاف جهت عقربه های ساعت می چرخند، بالا و پایین می روند. اگر این را گیج‌کننده می‌دانید، پس در یک شرکت عالی هستید. ریچارد فاینمن یک بار گفت: "اگر فکر می کنید مکانیک کوانتومی را درک می کنید، آن را درک نمی کنید." سخنان شجاعانه مردی که برنده جایزه نوبل... مکانیک کوانتومی شد.

بنابراین، کیوبیت ها بسیار ناپایدار هستند و در معرض تأثیرات خارجی هستند. خودرویی که از زیر شیشه‌های آزمایشگاه می‌گذرد، صدای داخلی سیستم خنک‌کننده، یک ذره کیهانی در حال پرواز - هر گونه تداخل تصادفی، هر گونه فعل و انفعال، همزمانی آنها را مختل می‌کند و آنها از هم جدا می‌شوند. این برای محاسبات مضر است.

سوال کلیدی برای توسعه محاسبات کوانتومی این است که کدام راه حل سخت افزاری از بسیاری از موارد کاوش شده، پایداری کیوبیت ها را تضمین می کند. هر کسی که مشکل انسجام را حل کند و کامپیوترهای کوانتومی را به اندازه GPU رایج کند، برنده جایزه نوبل خواهد شد و ثروتمندترین فرد جهان خواهد شد.

مسیر تجاری سازی

در سال 2011، شرکت کانادایی D-Wave Systems Inc. اولین کسی بود که کامپیوترهای کوانتومی را فروخت، اگرچه کاربرد آنها محدود به مسائل ریاضی خاصی است. و در ماه‌های آینده، میلیون‌ها توسعه‌دهنده می‌توانند از پردازنده‌های کوانتومی از طریق فضای ابری استفاده کنند - IBM قول داده است که دسترسی به دستگاه 53 کیوبیتی خود را فراهم کند. تاکنون 20 شرکت تحت برنامه ای به نام شبکه Q این امتیاز را دریافت کرده اند. از جمله تولید کننده تجهیزات سامسونگ الکترونیک، خودروسازان هوندا موتور و دایملر، شرکت های شیمیایی JSR و Nagase، بانک های JPMorgan Chase & Co. و بارکلیز.

اکثر شرکت هایی که امروزه محاسبات کوانتومی را آزمایش می کنند، آن را بخشی جدایی ناپذیر از آینده می دانند. ماموریت اصلی آنها در حال حاضر این است که دریابند چه چیزی در محاسبات کوانتومی کار می کند و چه چیزی کار نمی کند. و آماده باشید که اولین کسی باشید که فناوری را در صورت آماده شدن به تجارت وارد می کند.

سازمان های حمل و نقل فولکس واگن همراه با D-Wave در حال توسعه یک برنامه کوانتومی - یک سیستم کنترل ترافیک است. برنامه جدید سازمان های حمل و نقل عمومی و شرکت های تاکسیرانی در شهرهای بزرگ را قادر می سازد تا از ناوگان خود به نحو احسن استفاده کنند و زمان انتظار مسافران را به حداقل برسانند.

بخش انرژی ExxonMobil و IBM استفاده از محاسبات کوانتومی را در بخش انرژی ترویج می کنند. آنها بر توسعه طیف وسیعی از فناوری های انرژی جدید، بهبود بهره وری انرژی و کاهش انتشار گازهای گلخانه ای متمرکز هستند. مقیاس و پیچیدگی چالش‌های پیش روی بخش انرژی فراتر از محدوده رایانه‌های سنتی امروزی است و برای آزمایش روی رایانه‌های کوانتومی مناسب است.

شرکتهای دارویی. Accenture Labs با 1QBit، یک شرکت نرم افزاری کوانتومی، همکاری می کند. تنها در 2 ماه، آنها از تحقیق به اثبات مفهوم - با استفاده از یک برنامه کاربردی برای مدل‌سازی برهم‌کنش‌های مولکولی پیچیده در سطوح اتمی، رفتند. به لطف قدرت محاسبات کوانتومی، اکنون امکان تجزیه و تحلیل مولکول های بزرگتر وجود دارد. این چه چیزی به جامعه خواهد داد؟ داروهای ابتکاری با کمترین عوارض.

بخش مالی. فن آوری های مبتنی بر اصول نظریه کوانتومی به طور فزاینده ای مورد توجه بانک ها قرار گرفته است. آنها علاقه مند به پردازش تراکنش ها، معاملات و انواع دیگر داده ها در سریع ترین زمان ممکن هستند. Barclays و JP Morgan Chase (با IBM)، و همچنین NatWest (با Fujitsu) در حال حاضر آزمایش های خود را در زمینه توسعه نرم افزارهای تخصصی انجام می دهند.

پذیرش چنین شرکت‌های بزرگ و ظهور پیشگامان کوانتومی مبتکر، گویای قابلیت تجاری کوانتومی است. ما در حال حاضر شاهد استفاده از محاسبات کوانتومی برای مشکلات دنیای واقعی، از بهبود بهره وری انرژی تا بهینه سازی مسیرهای خودرو هستیم. و مهمتر از همه، ارزش فناوری با توسعه آن افزایش خواهد یافت.

منبع: www.habr.com