محاسبات کوانتومی می تواند همه چیز را تغییر دهد و IBM برای تسلط بر آن با مایکروسافت، اینتل و گوگل رقابت می کند

جیم کلارک، مدیر سخت افزار کوانتومی اینتل، با یکی از پردازنده های کوانتومی این شرکت. عکس; اینتل

• کامپیوترهای کوانتومی یک فناوری فوق‌العاده هیجان‌انگیز هستند که نوید ایجاد قابلیت‌های محاسباتی قدرتمند را برای حل مشکلات حل‌ناپذیر قبلی می‌دهد.
• کارشناسان می گویند IBM در محاسبات کوانتومی پیشتاز بوده است، به همین دلیل است که گوگل، اینتل، مایکروسافت و تعداد زیادی از استارت آپ ها تحت نفوذ آن هستند.
• سرمایه‌گذاران جذب استارت‌آپ‌های محاسباتی کوانتومی، از جمله IonQ، ColdQuanta، D-Wave Systems و Rigetti می‌شوند که می‌توانند بازار را مختل کنند.
• با این حال، یک نکته وجود دارد: کامپیوترهای کوانتومی مدرن معمولاً به اندازه ابررایانه‌های امروزی قدرتمند یا قابل اعتماد نیستند و همچنین برای راه‌اندازی و راه‌اندازی به شرایط خاصی نیاز دارند.

در ماه ژانویه، IBM با معرفی IBM Q System One، اولین رایانه کوانتومی جهان که برای تجارت در دسترس است، موجی از خود نشان داد. این دستگاه در یک محفظه شیشه ای شیک با حجم 9 فوت مکعب قرار داشت.

این یک نقطه عطف مهم برای کامپیوترهای کوانتومی است که هنوز در آزمایشگاه‌های تحقیقاتی قرار دارند. به گفته IBM، خریداران در حال حاضر به دنبال دستیابی به این فناوری هستند که در زمینه‌های مختلفی از جمله شیمی، علم مواد، تولید مواد غذایی، هوافضا، توسعه دارو، پیش‌بینی بازار سهام و حتی تغییرات آب و هوایی امیدوارکننده است.

IBM Q System One. عکس: IBM

دلیل هیجان این است که یک کامپیوتر کوانتومی دارای ویژگی های به ظاهر جادویی است که به آن اجازه می دهد اطلاعات بیشتری را نسبت به یک سیستم معمولی پردازش کند. یک کامپیوتر کوانتومی فقط یک کامپیوتر بسیار سریع نیست، به طور دقیق تر، یک الگوی محاسباتی کاملاً متفاوت است که نیاز به بازاندیشی اساسی دارد.

برنده مسابقه فناوری شرکتی خواهد بود که از فرصت های ارائه شده توسط این فناوری استفاده کند. آی‌بی‌ام، مایکروسافت، گوگل و دیگر غول‌های فناوری و همچنین استارت‌آپ‌ها روی این فناوری شرط‌بندی می‌کنند.

Business Insider از باب سوتور، معاون IBM Q Strategy و Ecosystem درباره نحوه دسترسی مردم به این سیستم‌ها پرسید: مردم چگونه به آنها دسترسی خواهند داشت؟ چگونه بسیاری از مردم می توانند استفاده از رایانه های کوانتومی را برای انجام وظایف خود یاد بگیرند؟

شانس کمی برای دیدن کامپیوترهای کوانتومی در دفتر به این زودی وجود دارد. کارشناسانی که با آنها صحبت کردیم معتقدند که علیرغم اینکه برای IBM در دسترس است، پنج تا ده سال دیگر طول خواهد کشید تا محاسبات کوانتومی واقعاً به جریان اصلی برسد. IBM Q System One در حال حاضر تنها به عنوان یک سرویس رایانش ابری برای مشتریان منتخب در دسترس است. مدتی طول می کشد تا مردم بتوانند چنین چیزی را خریداری کنند و آن را برای اهداف خود به کار گیرند.

در واقع، کارشناسان می گویند که کامپیوترهای کوانتومی امیدوار کننده زیادی هستند، اما با تولید انبوه فاصله زیادی دارند. آنها بسیار شکننده هستند و برای کار به شرایط خاصی نیاز دارند. علاوه بر این، کامپیوترهای کوانتومی امروزه به اندازه کامپیوترهایی که در حال حاضر داریم قابل اعتماد یا قدرتمند نیستند.

جیم کلارک، مدیر سخت‌افزار کوانتومی اینتل، به Business Insider می‌گوید: «ما معتقدیم که ظرف ده سال، یک کامپیوتر کوانتومی زندگی شما یا زندگی من را تغییر خواهد داد. - در واقع، ما اکنون فقط در اولین مایل ماراتن هستیم. این بدان معنا نیست که ما نگران آن نیستیم."

کامپیوتر کوانتومی چیست؟

بیل گیتس زمانی گفت که ریاضیات پشت کوانتوم فراتر از درک او است، اما همه موافق نبودند.

کریس مونرو، مدیر عامل و یکی از بنیانگذاران IonQ، به Business Insider می گوید: «این یک تصور اشتباه است که فیزیک کوانتومی فیزیک است و بسیار پیچیده است. "چیزی که آن را برای بسیاری از مردم غیرقابل درک می کند این است که غیرقابل درک است، اما برای من به همان اندازه که برای شما نامفهوم است." اگر چیزی می تواند در یک برهم نهی باشد به این معنی است که می تواند همزمان در دو حالت باشد. عجیب است زیرا ما این را در دنیای واقعی تجربه نمی کنیم."

رایانه هایی که ما از آنها استفاده می کردیم داده ها را به صورت رشته ای از 1 یا 0 به نام کد باینری نمایش می دهند. با این حال، یک کامپیوتر کوانتومی می تواند داده ها را به صورت 1، 0 یا مهمتر از همه، هر دو عدد را همزمان نمایش دهد.

هنگامی که یک سیستم می تواند همزمان در بیش از یک حالت قرار گیرد، به آن «ابرجایگاه» می گویند که یکی از ویژگی های به ظاهر جادویی محاسبات کوانتومی است. اصل کلیدی دیگر در اینجا "درهم تنیدگی" است، که یک خاصیت کوانتومی است که به دو ذره اجازه می دهد در هماهنگی کامل حرکت کنند، مهم نیست که چقدر از هم جدا شده اند.

همانطور که توضیح می دهد مقاله در ساینتیفیک امریکن، این دو ویژگی با هم ترکیب می‌شوند و کامپیوتری را ایجاد می‌کنند که می‌تواند داده‌های بسیار بیشتری را به‌طور همزمان از هر سیستمی در بازار امروز پردازش کند.

توان یک کامپیوتر کوانتومی با واحد کیوبیت اندازه گیری می شود که واحد اصلی اندازه گیری در یک کامپیوتر کوانتومی است. همانطور که کامپیوترهای مدرن دارای پردازنده های 32 بیتی یا 64 بیتی هستند (معیار میزان داده ای که می توانند همزمان پردازش کنند)، یک کامپیوتر کوانتومی با کیوبیت های بیشتر به طور قابل توجهی قدرت پردازش بیشتری دارد.

داخل یک کامپیوتر کوانتومی عکس: IBM

آسمان حد است

همه اینها به این معنی است که یک کامپیوتر کوانتومی می تواند مشکلاتی را که قبلاً با قدرت محاسباتی محدود شده بودند حل کند.

به عنوان مثال، یک کامپیوتر کوانتومی می تواند مشکل فروشنده دوره گرد معروف را حل کند، یک مشکل محاسباتی پیچیده که نیازمند یافتن کوتاه ترین مسیر بین چندین شهر قبل از بازگشت به خانه است. ساده به نظر می رسد، اما اگر از نظر ریاضی به آن نگاه کنید، با اضافه کردن شهرهای بیشتری به مسیر آن، یافتن مسیر بهینه واحد دشوارتر می شود.

به همین ترتیب، یک کامپیوتر کوانتومی می‌تواند پیچیده‌ترین و زمان‌برترین مشکلات را پشت سر بگذارد و حجم عظیمی از داده‌های مالی، دارویی یا آب و هوایی را برای یافتن راه‌حل‌های بهینه بررسی کند. در واقع، استارتاپ کوانتومی D-Wave در حال حاضر با فولکس واگن برای تجزیه و تحلیل الگوهای رانندگی و بررسی مقادیر انبوه سر و صدا برای رسیدن به نتیجه کار همکاری می کند.

سودمندی آن در زمینه رمزنگاری مورد بحث قرار گرفته است. یک کامپیوتر کوانتومی قادر به تسلط بر روش رمزگذاری متفاوت با رمزگذاری شناخته شده قبلی است که به آن امکان می دهد حتی اسرار دولتی را به راحتی رمزگشایی کند. علاقه زیادی از سوی دولت های جهانی به این ویژگی مفید وجود دارد، در حالی که فعالان نگران هستند که ظهور محاسبات کوانتومی بتواند حریم خصوصی را از بین ببرد.

مشکل فیزیک

متیو بریس، معاون تحقیق و توسعه در گارتنر می گوید: «از آنجایی که محاسبات کوانتومی هنوز در مراحل اولیه است، اطلاعات زیادی وجود دارد که ثابت نشده است. او می‌گوید: «اما خریداران در حال حاضر به دنبال برنامه‌هایی برای تعیین مزیت‌های رقابتی محاسبات کوانتومی برای تجارت خود هستند.
علیرغم همه هیاهوها، کارشناسان معتقدند که کامپیوترهای کوانتومی به اندازه کامپیوترهای شخصی در دهه 1950 از پیشرو بودن فاصله دارند. البته آنها در حال افزایش هستند، اما به آرامی.
برایان هاپکینز، نایب رئیس و تحلیلگر اصلی Forrester، به Business Insider گفت: «محاسبات کوانتومی را می توان با قطاری با حرکت آهسته مقایسه کرد. "اگر او در هر ثانیه یک اینچ حرکت کند، پس از یک ماه او در حال حاضر از دو اینچ در ثانیه عبور خواهد کرد." خیلی زود او شروع به حرکت سریع تر خواهد کرد."

مشکل بزرگ اکنون این است که یک کامپیوتر کوانتومی نمی تواند کاری را انجام دهد که یک کامپیوتر کلاسیک نمی تواند انجام دهد. صنعت مشتاقانه منتظر لحظه ای به نام برتری کوانتومی است، زمانی که کامپیوترهای کوانتومی از محدودیت های فعلی فراتر می روند.

بریس تحلیلگر می‌گوید: «وقتی مشتریان به ما مراجعه می‌کنند، اصلی‌ترین چیزی که به ما می‌گویند این است که تا زمانی که برای کسب‌وکارشان مفید است، اهمیتی نمی‌دهند چه مدلی است. - هیچ مدلی وجود ندارد که بتواند از الگوریتم های کلاسیک بهتر عمل کند. ما واقعاً باید منتظر بمانیم تا سخت افزار کامپیوتر کوانتومی شروع به بهبود کند."

کیتی پولی، محقق IBM، کرایواستاتی را بررسی می کند که به رایانه های کوانتومی کمک می کند دمای خود را پایین نگه دارند. عکس: اندی آرون، IBM

مشکل بزرگ کمبود قدرت محاسباتی است. فرض بر این است که برتری کوانتومی به کامپیوتری با توان 50 کیوبیت نیاز دارد. اگرچه این نقطه عطف در آزمایشگاه به دست آمده است، اما دائمی نیست و نمی توان آن را ادامه داد. در واقع، کیوبیت ها می توانند هم در معرض خطا و هم ناپایدار باشند، که منجر به مشکلاتی در تولید آنها می شود و پتانسیل آنها را کاهش می دهد.

عامل مهم دیگر مواد بیشتر است. کامپیوترهای کوانتومی برای عملکرد باید کاملاً از محیط خود جدا باشند و به دمای بسیار پایین نیاز دارند. حتی کوچک‌ترین ارتعاش‌ها می‌تواند باعث فروپاشی کیوبیت‌ها شود و آن‌ها را از حالت برهم‌نهی پرتاب کند، درست همانطور که ضربه زدن کودک به میز باعث می‌شود سکه‌های در حال چرخش روی میز بیفتند.

کامپیوترهای کوانتومی قبلی، مانند IBM Q System One، آنقدر حجیم هستند که شرایط انزوا و خنک‌سازی لازم به یک چالش واقعی تبدیل می‌شود. تشدید این مشکل کمبود اجزای ضروری است: کابل های ابررسانا و یخچال های با دمای پایین. آنها در کمبود شدید قرار دارند.

در نهایت، این بدان معنی است که اگرچه دانش در حال بهبود است و فناوری در حال پیشرفت است، محاسبات کوانتومی هنوز عملاً امکان پذیر نیست.

کلارک اینتل گفت: «یکی از چالش‌های گروه کاری من دستکاری مواد، سیلیکون، فلزات است تا بتوانیم محیطی بسیار همگن ایجاد کنیم. - این اساساً بهترین فناوری نیمه هادی است. فناوری‌هایی که ما برای ایجاد محاسبات کوانتومی در مقیاس نیاز داریم، هنوز وجود ندارند.»
مشکل دیگر این است که کامپیوترهای کوانتومی پتانسیل غیرقابل انکاری برای ارائه قدرت محاسباتی پیش بینی نشده دارند. با این حال، افراد زیادی در این دنیا وجود ندارند که واقعاً تجربه برنامه نویسی یا اجرای این سیستم ها را داشته باشند، و خریداران بالقوه مجذوب تلاش برای کشف نحوه استفاده واقعی از آن هستند.

مسابقه بزرگ کوانتومی

تحلیلگران می گویند که IBM در حال حاضر به لطف دسترسی تجاری محدود IBM Q System One در رقابت محاسبات کوانتومی پیشرو است. از آنجایی که از طریق ابر قابل دسترسی است، آی‌بی‌ام می‌تواند این شرایط ویژه را برای حفظ عملکرد این رایانه کوانتومی حفظ کند و در عین حال به مشتریان منتخب اجازه استفاده از آن را بدهد.

بریس تحلیلگر گفت: «من فکر می کنم [رایانه کوانتومی آی بی ام] در حال تکان است. "من فکر می کنم محاسبات کوانتومی به عنوان یک مدل خدمات، مدل مناسبی است." با قرار دادن آن در ظرف و درمان خاص آن، واقعاً سعی در بهبود کیفیت آن دارند.»

سارا شلدون و پت گومان از IBM در حال کار بر روی یک یخچال انحلال هستند که کامپیوترهای کوانتومی را خنک می کند. عکس: IBM

در عین حال، تحلیلگران خاطرنشان می‌کنند که هر یک از بازیگران این بازار می‌توانند در هر لحظه پیشرفتی داشته باشند که به آن اجازه می‌دهد پیشروی کند و این هنوز یک رقابت ضروری است.

غول های مختلف فناوری اطلاعات به گونه ای متفاوت به این مشکل برخورد می کنند. اینتل، آی‌بی‌ام، گوگل و استارت‌آپ محاسبات کوانتومی Rigetti در حال ساختن سیستم‌هایی بر اساس مدارهای ابررسانا هستند که توسط ابررایانه‌های پیشرفته کار می‌کنند.

مایکروسافت در تلاش برای ایجاد کیوبیت بهتر، رویکردی کاملا متفاوت و شاید پرخطرتر در پیش گرفته است. کیوبیت توپولوژیکی که مایکروسافت در تلاش برای ایجاد الکترون‌های تکه تکه می‌شود تا اطلاعات را در چندین مکان به طور همزمان ذخیره کند و آن را پایدارتر و کمتر مستعد تخریب کند. هاپکینز، تحلیلگر، گفت: این دستگاه نسبت به آنچه رقبای آن در تلاش برای ساختن آن هستند، قوی تر است، اما نتیجه آن یک گام بزرگ رو به جلو برای کل حوزه محاسبات کوانتومی خواهد بود.

هاپکینز گفت: «آنها در حال قمار هستند و بسیاری از مردم فکر می کنند که هرگز موفق نخواهند شد.

در جنبه ماجراجویانه‌تر، استارت‌آپ‌هایی مانند IonQ و D-Wave روی فناوری‌های پیشرفته‌ای مانند تله‌گذاری یون و آنیل کوانتومی شرط‌بندی می‌کنند. به زبان ساده، آن‌ها با استفاده از روش‌های کاملاً جدید سعی می‌کنند به روش‌های مختلف به عملکرد و ثبات بیشتری از هر کیوبیت دست یابند.

مارک جانسون، معاون طراحی و توسعه محصولات کوانتومی و پردازنده در D-Wave، به Business Insider گفت: «این به ما امکان می‌دهد یک کامپیوتر کوانتومی بسازیم که مشکلات پیچیده را حل می‌کند و به طور مداوم در انجام آن پیشرفت می‌کند.

یک دانشمند کوانتومی IBM در مرکز محاسباتی IBM Q در مرکز تحقیقات توماس جی واتسون در یورک‌تاون هایتس، نیویورک قدم می‌زند. عکس: Connie Zhou برای IBM

استارت آپ های کوانتومی

افزایش محاسبات کوانتومی موجی از علاقه سرمایه گذاران را به استارت آپ های مرتبط برانگیخته است. رابرت سوتور از IBM تخمین می زند که حدود 100 نرم افزار، سخت افزار و حتی استارت آپ مشاوره کوانتومی در سراسر جهان وجود دارد. این در مقایسه با بازار بزرگ استارت آپی کوچک است، اما بسیار بزرگتر از قبل است.

مونرو از IonQ گفت: من از همان ابتدا مدت زیادی در این فضا بودم. — برای مدت طولانی در مراحل اولیه خود بود، تا 5-8 سال پیش توجهات را به خود جلب کرد و سرمایه گذاری های عظیمی را به خود جلب کرد. مشخص شد که زمان آن فرا رسیده است.»

کریس مونرو، مدیرعامل و یکی از بنیانگذاران استارتاپ محاسبات کوانتومی IonQ. عکس: IonQ

برخی، مانند ریگتی، با تراشه‌های کوانتومی و سیستم‌های پیچیده محاسباتی کوانتومی خود، آماده‌اند تا با غول‌های فناوری روبه‌رو شوند.

بتسی ماسیلو، معاون تولید در Rigetti، به Business Insider گفت: "این هسته اصلی تجارت ما است." — شرکت های زیادی در فضای کوانتومی وجود دارند که روی برنامه های نرم افزاری در زمینه محاسبات کوانتومی کار می کنند. ما ریزتراشه‌ها را تولید می‌کنیم و سیستم‌های محاسباتی می‌سازیم.»

متیو کینزلا، مدیر عامل Maverick Ventures، می گوید که در زمینه محاسبات کوانتومی خوش بین است. شرکت او تا آنجا پیش رفته است که روی ColdQuanta سرمایه گذاری کرده است، شرکتی که تجهیزات مورد استفاده در سیستم های کوانتومی تولید می کند. او انتظار دارد که کامپیوترهای کوانتومی در عرض XNUMX تا XNUMX سال از سیستم های امروزی بهتر عمل کنند. Maverick Ventures روی بلند مدت شرط بندی می کند.

من واقعاً به محاسبات کوانتومی اعتقاد دارم، اگرچه ممکن است بیشتر از حد انتظار طول بکشد تا یک رایانه کوانتومی برای حل مسائل روزمره بهتر از یک رایانه سنتی شود. ما احتمالاً در چند سال آینده مزایای رایانه‌های کوانتومی را در حل مسائل در مقیاس کوچک خواهیم دید.»

آزمایشگاه‌های D-Wave's 2000Q Systems. عکس: D-Wave

Kinsella، مانند تحلیلگرانی که با آنها صحبت کردیم، منتظر یک زمستان به اصطلاح کوانتومی است. کارشناسان هشدار می‌دهند که ممکن است در مورد رایانه‌های کوانتومی هیاهویی وجود داشته باشد، اما مردم امیدوارند. ماشین‌ها هنوز کامل نیستند و سال‌ها طول می‌کشد تا سرمایه‌گذاران نتایج را ببینند.

در چشم انداز

حتی فراتر از برتری کوانتومی، کارشناسان به ما اطمینان می دهند که هنوز جایی برای کامپیوترهای سنتی و ابررایانه ها وجود دارد. تا آن زمان، هنوز مسائل مربوط به هزینه، اندازه، قابلیت اطمینان و قدرت پردازش وجود دارد که باید قبل از اینکه بتوانیم در مورد آن بحث کنیم، حل کنیم.

بریس تحلیلگر گفت: «ما باید یک نفس بکشیم. چیزهای هیجان انگیز زیادی در این زمینه در جریان است که زمان می برد.» این مجموعه ای از فیزیک، علوم کامپیوتر و، صادقانه بگویم، تجزیه و تحلیل علمی است. اگر همه پاسخ‌ها را می‌دانستیم، نیازی به مطالعه این موضوع نداشتیم، اما کار تحقیقاتی زیادی در پیش است.»

کامپیوتر کوانتومی ریگتی عکس: Rigetti

با این حال، برای بسیاری روشن است که این آینده است. درست همانطور که سازندگان اولین رایانه اصلی متوجه نشدند که این امر در نهایت منجر به تولید گوشی‌های هوشمند با اندازه کف دست می‌شود. یک کامپیوتر کوانتومی می تواند اولین قدم در مسیری کاملا جدید باشد.

تعداد کمی مانند تاد هولمدال معاون مدیریت شرکتی مایکروسافت به اندازه کافی خوشبین هستند که بگویند امروزه می تواند از هوش مصنوعی و یادگیری ماشینی مهم تر باشد. او به فرزندانش می گفت که باید کاری را انجام دهند که به آن علاقه دارند و همیشه می توانند در زمینه هوش مصنوعی شغلی پیدا کنند. حالا او همین را در مورد محاسبات کوانتومی خواهد گفت.

"این منطقه ای است که توسعه خواهد یافت. هولمدال گفت: ما به افرادی نیاز داریم که آن را پر کنند و از پژمردگی آن جلوگیری کنند. این نقش مهمی در نسل ما ایفا می کند و به ما این فرصت را می دهد که در آینده چیزهای شگفت انگیزی خلق کنیم.

منبع: www.habr.com