مایکروسافت تا ده سال دیگر کامپیوتر کوانتومی خود را طراحی می‌کند

این مطلب یکی از مجموعه مقاله‌های پرونده ویژه «کامپیوترهای کوانتومی» است که در شماره ۱۸۹ ماهنامه شبکهمنتشر شد. برای دانلود این پرونده ویژه می‌توانید اینجا کلیک کنید. 

مایکروسافت مطالعات پژوهشی و تحقیقاتی خود در ارتباط با محاسبات کوانتومی را از یازده سال پیش آغاز کرد. این شرکت از سال 2006 طیف گسترده‌ای از فیزیک‌دانان و دانشمندان برجسته را استخدام کرد تا مطالعات اولیه را در ارتباط با محاسبات کوانتومی آغاز کند. مایکروسافت به‌دنبال آن است تا یک زیرساخت سخت‌افزاری و نرم‌افزاری را در ارتباط با محاسبات کوانتومی به وجود آورد. بر همین اساس، تصمیم گرفته است از تجارب تاد هلمدال مدیر اجرایی اسبق خود در پیشبرد این مفهوم استفاده کند. 

مطلب پیشنهادی

مشاغلی که به تاریخ خواهند پیوست

کدام شغل‌ها تا ۱۰ سال آینده نابود می‌شوند؟

هلمدال سابقه درخشانی در به موفقیت رساندن پروژه‌های تحقیقاتی دارد. او به‌طرز معجزه‌آسایی قادر است پروژه‌های تحقیقاتی را به یک کالای مصرفی روزمره تبدیل کند. این مدیر مجرب اکنون سرپرستی گروهی از دانشمندان و مهندسان این شرکت را عهده‌دار است. گروهی که به‌دنبال آن هستند تا یک سخت‌افزار و نرم‌افزار کوانتومی گسترش‌پذیر را طراحی کنند. هلمدال مدیر برنامه کوانتومی مایکروسافت در این ارتباط گفته است: «من فکر می‌کنم ما به نقطه عطف کار خود رسیده‌ایم. اکنون می‌توانیم از فاز تحقیقاتی به فاز مهندسی وارد شویم.» تاد هلمدال یکی از نقش‌آفرینان اصلی توسعه محصولاتی همچون کینکت، هولونز و اکس‌باکس است. هلمدال به نقل قول «موفقیت هیچ‌گاه تضمین شده نیست» معروف است. 

مایکروسافت مدعی شده است در حال طراحی و ساخت اولین کامپیوتر کوانتومی توپولوژیکال جهان است. یکی از مهم‌ترین مزایای کوبیت توپولوژیکال به پایداری بالای آن‌ بازمی‌گردد. کوبیت‌هایی که می‌توانند در هر جهتی به چرخش دربیایند و حلقه کاملی را برای ساخت یک گره ساده یا نواری کامل ارائه کنند

هلمدال مدیر پروژه ساخت بسترهای کوانتومی مایکروسافت می‌گوید: «فکر می‌کنم سرمایه‌گذاری بلندمدت مایکروسافت در ارتباط با تحقیقات کوانتومی به اندازه کافی پربار بوده است، به‌طوری که اکنون می‌توانیم نقشه راه روشنی را به‌منظور ساخت یک کامپیوتر کوانتومی گسترش‌پذیر آماده کنیم. اگر به‌دنبال آن هستید تا دستاورد بزرگی ارائه کنید که جهان را تحت تأثیر قرار دهد، باید خطر کنید. به‌عقیده من، ما درست در همان نقطه‌ای قرار داریم که فرصت انجام چنین کاری را در اختیار ما قرار داده است.» مایکروسافت برای این منظور دو تن از رهبران برجسته حوزه کوانتوم لئو کاون‌هاون و چارلز مارکوس را استخدام کرده است. این شرکت در نظر دارد تا چند وقت دیگر ماتیاس ترویر و دیوید ریلی را نیز به جمع تیم کوانتومی خود اضافه کند. 

مایکروسافت به چیزی فراتر از ساخت یک کامپیوتر کوانتومی فکر می‌کند
به لحاظ تئوری، کامپیوترهای کوانتومی قدرتمندتر از ابرکامپیوترهای امروزی هستند، در نتیجه جای تعجبی ندارد که شرکت‌های بزرگ دنیای فناوری به‌دنبال ساخت چنین کامپیوترهایی باشند. اما نکته‌ای که در ارتباط با پروژه مایکروسافت وجود دارد این است که مایکروسافت تنها به‌دنبال آن نیست کوبیتی را تولید کند که می‌تواند به‌شکل درست و دقیق در یک آزمایشگاه کار کند. مارکوس در این ارتباط گفته است: «ما به‌دنبال آن هستیم تا اطلاعات کوانتومی را نشان دهیم.» مایکروسافت به‌دنبال آن است تا یک ابزار کوانتومی قابل اعتماد را در شرایطی در اختیار دانشمندان قرار دهد که این گروه از افراد بدون داشتن هیچ‌گونه پس‌زمینه از فیزیک کوانتومی بتوانند از این ابزار به‌منظور حل مسائل پیچیده جهان استفاده کنند. مایکروسافت بر این باور است که چنین ابزاری تحول عظیمی را در صنایع مختلف همچون پزشکی، مواد و اقتصاد به‌وجود خواهد آورد. ابزاری که به اقتصاد کوانتومی (Quantum Economy) کمک خواهد کرد. برای نیل به این هدف مایکروسافت به‌دنبال طراحی یک کامپیوتر کوانتومی همه‌منظوره است. کامپیوتری که قادر باشد تمام برنامه‌های موجود را اجرا کند و همچنین طیف گسترده‌ای از محاسبات را انجام دهد که سامانه‌های کلاسیک امروزی از انجام آن‌ها ناتوان هستند.

برای این منظور مایکروسافت به‌دنبال طراحی مدارهای کوانتومی است. مدار فوق باید این پتانسیل را داشته باشد تا مواردی همچون تصحیح خطا و تحمل خطا روی برنامه‌های کاربردی را آزمایش کند. در محاسبات کوانتومی از کوبیت‌ها به‌منظور پردازش اطلاعات استفاده می‌شود. کوبیت‌ها که در بعضی منابع به آن‌ها بیت‌‌های کوانتومی نیز گفته می‌شود، کوچک‌ترین واحد پردازش اطلاعات هستند. بیت‌هایی که در محاسبات کلاسیک از آن‌ها استفاده می‌شود تنها قادر به نگهداری صفر و یک در یک لحظه هستند. اما کوبیت حالت سومی نیز دارد که به آن حالت برهم‌نهی می‌گویند. حالتی که در آن واحد قادر است صفر و یک را توأمان با یکدیگر داشته باشد. این بیت‌های کوانتومی به یک سامانه کوانتومی این توانایی را می‌دهند تا پردازش‌های موازی بیشتری را در مقایسه با سامانه‌های امروزی مدیریت کنند و البته این ‌کار را با سرعت بالایی انجام دهند. اما مشکلی که در ارتباط با این بیت‌ها وجود دارد این است که آن‌ها به‌شدت ناپایدار هستند. اما مایکروسافت مدعی شده است در حال طراحی و ساخت اولین کامپیوتر کوانتومی توپولوژیکال جهان است. یکی از مهم‌ترین مزایای کوبیت توپولوژیکال به پایداری بالای آن‌ بازمی‌گردد. کوبیت‌هایی که می‌توانند در هر جهتی به چرخش دربیایند و حلقه کاملی را برای ساخت یک گره ساده یا نواری کامل ارائه کنند. کامپیوتر کوانتومی توپولوژیکالی که مایکروسافت ادعا می‌کند در حال ساخت آن است از شبه‌ذرات دوبعدی موسوم به انیانس (Anyons) استفاده می‌کند. این شبه‌ذرات در فضای سه‌بعدی قادر هستند در قالب نوارهایی در کنار یکدیگر حرکت کنند. این کامپیوتر در شرایطی مسیر پیشرفت را پشت سر می‌گذارد که ما هنوز درباره جزییات دقیق آن اطلاعی نداریم. 

ایکروسافت در طراحی این کامپیوتر از الگوریتم‌های ترکیبی کلاسیک‌ ـ کوانتوم استفاده می‌کند. پژوهشگران این شرکت بر این باور هستند که با ترکیب این الگوریتم‌ها با یکدیگر می‌توان قدرت یک کامپیوتر کوانتومی کوچک را درون یک چهارچوب الگوریتمیک کلاسیک قرار داد.

البته بعضی کارشناسان گفته‌اند مایکروسافت از مواد ویژه‌ای استفاده می‌کند که تولید آن‌ها تنها از طریق فرآیندهای صنعتی امکان‌پذیر است. مایکروسافت در طراحی این کامپیوتر از الگوریتم‌های ترکیبی کلاسیک‌ ـ کوانتوم استفاده می‌کند. پژوهشگران این شرکت بر این باور هستند که با ترکیب این الگوریتم‌ها با یکدیگر می‌توان قدرت یک کامپیوتر کوانتومی کوچک را درون یک چهارچوب الگوریتمیک کلاسیک قرار داد. در کنار بخش‌های سخت‌افزاری، مایکروسافت از مدت‌ها قبل به‌دنبال طراحی نرم‌افزاری برای کامپیوترهای کوانتومی بوده است. طراحی نرم‌افزارهای ویژه کامپیوترهای کوانتومی درست به اندازه طراحی سخت‌افزارهای کوانتومی از اهمیت بالایی برخوردار هستند. به‌طور مثال، شرکت دی‌ویو سیستمز که سابقه طراحی کامپیوترهای کوانتومی بزرگ را در کارنامه خود دارد، به‌تازگی تصمیم گرفته است گروهی از برنامه‌نویسان خبره را استخدام کند. این برنامه‌نویسان باید نرم‌افزارهای ویژه‌ای را طراحی کنند که سخت‌افزارهای ساخته شده توسط این شرکت را محک بزنند. نرم‌افزارهایی که ویژه کامپیوترهای کوانتومی طراحی می‌شوند به‌نام نرم‌افزارهای قاتل (Killer apps) معروف شده‌اند. این گونه به‌نظر می‌رسد که پروژه‌های نرم‌افزاری مایکروسافت توانمندی محاسبات کوانتومی را به منصه ظهور خواهند گذاشت. 
هلمدال در این ارتباط گفته است: «حدس من این است که ما به دهه 40 و 50 میلادی بازگشته‌ایم. در آن زمان، آن‌ها در فکر نخستین ترانزیستوری بودند که تولید شده بود. اما نمی‌دانستند این وسیله چگونه مورد استفاده قرار خواهد گرفت. من فکر می‌کنم ما تقریباً در وضعیتی مشابه با آن روزگار قرار داریم.» مایکروسافت می‌گوید: «مزیت اصلی روشی که ما بر پایه آن کار می‌کنیم این است که هزینه ساخت یک کامپیوتر کوانتومی در سطح معقولی قرار خواهد گرفت. اگر شما در نظر داشته باشید یک سیستم کاملاً کوانتومی را طراحی کنید، هزینه ساخت آن بسیار گران تمام می‌شود.»

آیا ما قبلاً کامپیوترهای کوانتومی در اختیار نداشته‌ایم؟ به‌ویژه پس از آنکه دی‌‌ویو در تابستان ۲۰۱۶ اعلام کرد یک کامپیوتر کوانتومی هزار کوبیتی را طراحی کرده است؟

اما یک دقیقه صبر کنید. آیا ما قبلاً کامپیوترهای کوانتومی در اختیار نداشته‌ایم؟ به‌ویژه پس از آنکه دی‌‌ویو در تابستان اعلام کرد یک کامپیوتر کوانتومی هزار کوبیتی را طراحی کرده است و گوگل و ناسا طی قراردادی این سیستم را خریداری کردند؟ البته فیزیک‌دانان اعتبار کامپیوترهای کوانتومی دی‌ویو را زیر سؤال برده‌اند. ماتیاس ترویر ژانویه سال گذشته میلادی مدعی شد کامپیوترهای کوانتومی که دی‌ویو ساخته است، در آزمایش‌های تعیین معیار اختلاف قابل توجهی با کامپیوترهای سنتی نداشته‌اند. این آزمایش‌ها نشان دادند کامپیوتر طراحی شده شرکت D-Wave در انجام بعضی از کارها ده مرتبه سریع‌تر از یک کامپیوتر کلاسیک است، اما در انجام بعضی از کارها کندتر از آن‌ها است. D-Wave به این اظهار نظرها واکنش نشان داد و عنوان کرد: «آزمون‌های تعیین معیاری که دانشمندان از آن استفاده کرده‌اند، برای این ماشین مناسب نبوده است.»
اینکه مایکروسافت در زمینه طراحی کامپیوترهای کوانتومی بر مبنای رویکرد هیبریدی موفق خواهد بود یا خیر موضوعی است که در گذر زمان پاسخ آن را به‌دست خواهیم آورد، اما در مقطع فعلی محصول ارائه شده از سوی D-Wave بهترین نمونه‌ای است که در اختیار داریم.