ابــرِ کوانتومی و درمان کرونا

 بسیاری از سازمان‌ها در حال آزمودن استفاده از رایانش کوانتومی هستند تا دریابند آیا می‌توانند برای حل مسائل بسیار پیچیده‌ای که پیش رویشان است از این نوع رایانش کمک بگیرند؟سرمایه‌گذاری هنگفت روی فناوری‌ای که ممکن است به این زودی‌ها به نتیجه دلخواه نرسد شاید یک حرکت بی‌مورد به نظر آید، اما بسیاری از سازمان‌هایی که سرمایه‌گذاری روی استفاده از رایانش کوانتومی را دنبال می‌کنند معتقدند ابرکامپیوترهای فعلی نمی‌توانند مسائل بسیار پیچیده‌ امروزی را حل کنند. صنایع وابسته به سلامت و علوم زیستی از جمله حوزه‌هایی هستند که چنین باوری داشته و تمایل زیادی به استفاده از  رایانش کوانتومی  دارند.  توسعه و توزیع سریع‌تر داروها، کشف داروهای جدید و بهبود کارآیی آزمایش‌های بالینی از جمله انگیزه‌هایی است که محققان این حوزه از دانش را به آزمودن رایانش کوانتومی ترغیب می‌کند.  

راهکارهای کوانتومی برای مبارزه با یک ویروس

کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند واکنش‌های شیمیایی را در سطح مولکولی شبیه‌سازی کنند و تعداد ترکیبات احتمالی برای ساخت دارو‌ها و واکسن‌ها را از ۱۰هزار ترکیب به چند ده مورد کاهش دهند. طراحی و تجزیه و تحلیل مولکول‌های مورد نیاز برای توسعه داروها یکی از چالش‌هایی است که امروزه با آن مواجه هستیم. توصیف دقیق همه خصوصیات کوانتومی اتم‌های یک مولکول و اجرای شبیه‌سازی‌های لازم، حتی با استفاده از ابرکامپیوترها نیز یک فرآیند پردازشی بسیار دشوار و حتی غیرعملی است. یک کامپیوتر کوانتومی دقیقاً همان ابزاری است که برای اینکار نیاز داریم. بدین ترتیب می‌توان فرآیند یافتن ترکیبات موفق احتمالی برای ساختن دارو را  پیش از آزمایشگاه، در کامپیوتر انجام داد. این تنها بخشی از توانایی‌های امیدبخش فناوری است که هنوز در مراحل آغازین توسعه خود به سر می‌برد.
کارشناسان معتقدند رایانش کوانتومی امکان تشخیص الگوهایی را فراهم می‌کند که ما را قادر خواهد ساخت در آینده، بیماری‌های نوظهور را زودتر شناسایی کنیم،  سریع‌تر به واکسن برسیم و حتی راهکارهای کاهش انتقال بیماری را سریع‌تر بیابیم. علاوه بر این، رایانش کوانتومی در مواردی نظیر بهبود زنجیره تأمین جهانی ( global supply chain) در چنین شرایط دشواری نیز کمک خواهد کرد. زیرا می‌توان به سرعت  الگوهای تأمین و تقاضا در این شرایط بحرانی را شناسایی کرده و در مقابل کمبود یا افزایش‌های ناگهانی کالا، واکنش سریع و مناسب داشته باشیم. با اینحال به گفته کارشناسان، برای آموختن اینکه چگونه از این ماشین‌ها به‌طور کارآمدی استفاده کنیم  ۲ تا ۳ سال زمان لازم است.

آی‌بی‌اِم: رایانش کوانتومی بازی را عوض خواهد کرد

شرکت آی‌بی‌اِم از جمله فعالان حوزه رایانش است که برای تسریع روند مقابله با کرونای جدید، منابع ابری،  ابرکامپیوترها و ابزارهای جست‌وجوی مبتنی بر هوش مصنوعی خود را به‌اشتراک گذاشته است.  Dario Gil مدیر بخش تحقیقاتی آی‌بی‌اِم می‌گوید: « هدف ما این است که تمام تلاش‌مان را انجام دهیم تا سرعت کشف مواد جدید، ترکیبات شیمیایی جدید و مواردی نظیر این را ده برابر یا صد برابر افزایش دهیم.» با این حال حل مسائل پیچیده‌ای نظیر آن‌چه کووید ۱۹ پیش رو گذاشته، نیازمند توان پردازشی بسیار بیشتر است و این همان جایی است که رایانش کوانتومی به میدان می‌آید. به عقیده Gil چنین دستاوردی بازی را تغییر خواهد داد. در سال ۲۰۱۶ آی‌بی‌اِم نخستین شرکتی بود که موفق شد یک کامپیوتر کوانتومی را به‌صورت ابری در اختیار کاربران قرار دهد. تا به امروز بیش از ۲۰۰ هزار کاربر ثبت شده از بالغ بر ۱۴۰ کشور، ماشین‌های کوانتومی آی‌بی‌اِم را مورد استفاده قرار داده‌اند و بیش از ۱۵۰ میلیارد برنامه اجرا شده است. ماهانه بیش از ۱۲هزار کاربر فعال از این ابر استفاده می‌کنند و در هر روز ماشین‌های روی ابر بیش از ۴۰۰ میلیون مدار کوانتومی را اجرا می‌کنند(شکل ۱).

شکل۱- نمونه‌ای از کامپیوتر کوانتومی شرکت  آی‌بی‌اِم

 آی‌بی‌اِم تنها یکی از ده‌ها شرکت‌ و استارت‌آپی است که در این حوزه کار کرده‌اند. گوگل، آمازون، اینتل، مایکروسافت و هانی‌وِل (Honeywell) از جمله دیگر شرکت‌های معروفی هستند که به رایانش کوانتومی علاقه‌مند بوده‌اند. Honeywell شرکتی است که امسال ادعا کرد به قدرتمندترین کامپیوتر کوانتومی دست یافته است.  به عقیده Gil رایانش کوانتومی اکنون در جایی ایستاده است که هوش مصنوعی یک دهه قبل ایستاده بود. گرچه یکی از کارشناسان آی‌بی‌اِم به این موضوع اشاره می‌کند: «در حال حاضر هیچ‌کس نمی‌تواند ادعا کند کامپیوتر کوانتومی در اختیار دارد که عملکردی بهتر از کامپیوترهای کلاسیک خواهد داشت»، اما او مدعی است که می‌توان هر سال، توان پردازشی کامپیوترهای کوانتومی را دو برابر کرد و کار به جایی خواهد رسید که این کامپیوترها موفق خواهند شد از نظر کارآیی، دست‌کم در حل انواع خاصی از مسائل، کامپیوترهای کلاسیک را پشت سر گذارند. این بدین معنی است که در آینده و در مواردی مشابه شیوع کووید ۱۹، دست‌مان پر خواهد بود.

شرکت D-Wave 

یکی از  شرکت‌های فعال در حوزه رایانش کوانتومی که نامش بر سر زبان‌هاست، استارت‌آپ  D-Wave Systems  است. این شرکت کانادایی در واکنش به شیوع بیماری کووید ۱۹، امکان دسترسی رایگان به سرویس ابری کامپیوترهای کوانتومی خود را در اختیار محققانی قرار داده است که قصد دارند بر روی جنبه‌های مختلف شیوع این بیماری تحقیق کنند. حوزه‌ تحقیقاتی در این زمینه گسترده است و از تلاش برای یافتن واکسن و درمان‌های مؤثر گرفته تا همه‌گیرشناسی (epidemiology) و توزیع اقلام مورد نیاز مردم، تخصیص تجهیزات بیمارستانی و بهبود فرآیندهای تشخیصی را شامل می‌شود. کسب و کارها، دولت‌ها و محققانی که روی رفع مشکلات ناشی از این همه‌گیری کار می‌کنند بطور رایگان و بدون محدودیت امکان استفاده از این سرویس ابری کوانتومی را دارند. (شکل ۲)

شکل۲- نمونه‌ای از کامپیوترهای کوانتومی D-Wave  که دسترسی به آن‌ها برای محققان کووید۱۹ رایگان شده است.

D-Wave در سال ۱۹۹۹ پایه‌گذاری شد و به‌عنوان نخستین شرکتی در دنیا شناخته می‌شود که موفق به عرضه تجاری یک کامپیوتر کوانتومی شده است. این شرکت بین سال‌های ۲۰۱۱ تا ۲۰۱۷ چهار سامانه پردازشی کوانتومی عرضه کرده است که از ۱۲۸ کیوبیت (بیت کوانتومی) تا ۲۰۴۸ کیوبیت را شامل می‌شود. پنجمین سامانه که در ماه سپتامبر معرفی شده ۵۶۴۰ کیوبیت خواهد داشت و بنابر اعلام  D-Wave  همین امسال عرضه خوهد شد. این شرکت از سال ۲۰۱۸ اقدام به عرضه خدمات ابری کوانتومی موسوم به Leap کرده است. گفته می‌شود که بیش از هزار برنامه‌نویس کمک کرده‌اند  تا  سرویس کوانتومی  Leap در کاربردهای متنوعی از تا کردن پروتئین‌ها
(protein folding) گرفته تا مدل‌سازی مالی و بهینه‌سازی حمل و نقل عمومی قابل استفاده باشد. D-Wave مدتی بعد سرویس ابری کوانتومی جدیدی موسوم به Leap 2 را عرضه کرد که از کیوبیت‌های شبیه‌سازی شده روی کامپیوترهای رایج در کنار کیوبیت‌های واقعی  استفاده می‌کند. سرویس Leap تنها از مسائلی با نهایتاً ۱۰۰ متغیر پشتیبانی می‌کرد. در مقابل، Leap 2 قادر به پشتیبانی از مسائلی با ۱۰هزار متغیر است که همه این متغیرها می‌توانند به‌طور کامل به سایرین متصل شوند. تقریباً نیمی از مشتریان  D-Wave  از رایانش کوانتومی برای حل مسائل بهینه‌سازی استفاده می‌کنند. حدود ۲۰ درصد از مشتریان این شرکت هم از رایانش کوانتومی برای استفاده در هوش مصنوعی و یادگیری ماشین کمک می‌گیرند.

ابر کوانتومی

کامپیوترهای D-Wave  امکان حل مسائل بسیار پیچیده بهینه‌سازی که اتفاقاً موضوع اصلی در تحقیقات کووید ۱۹ است را فراهم می‌کنند.  از جمله چالش‌های رایانش کوانتومی این است که روش کار کردن و برنامه‌ریزی آن‌ها متفاوت از کامپیوترهای مرسوم بوده و بکارگیری توان پردازش کوانتومی نیاز به تخصص ویژه دارد و بسیاری از شرکت‌ها و سازمان‌های متقاضی استفاده از این سرویس ابری در این زمینه بی‌تجربه‌اند(شکل ۳). 

شکل۳- ساختار پردازشی کامپیوترهای کوانتومی بسیار متفاوت از کامپیوترهای مرسوم است و کار کردن با آن‌ها نیاز به تخصص ویژه‌ای دارد.

شرکت D-Wave  برای کمک به محققانی که قصد دارند برای مطالعه در زمینه کووید ۱۹ از رایانش کوانتومی استفاده کنند، از مشتریان و شرکای خود که در این زمینه تجربه‌ای دارند دعوت کرده است تا به این متقاضیان کمک کنند و به آن‌ها مشاوره دهند. Masayuki Ohzeki  بنیان‌گذار شرکت ژاپنی  Sigma-i از جمله مشتریان D-Wave  است. این شرکت پیش از این از  سرویس ابری کوانتومی D-Wave  برای یافتن بهترین مسیرها برای تخیله کردن مناطق مسکونی در زمان وقوع سونامی کمک گرفته بود.  حالا این شرکت قصد دارد با کمک رایانش کوانتومیD-Wave،  در کمترین زمان، بهترین مسیر  را برای انتقال بیماران کووید ۱۹ به مناسب‌ترین مرکز درمانی بیابد. این از آن دست مسائلی است که یک کامپیوتر کوانتومی برتری خود را نسبت به کامپیوترهای معمول نشان می‌دهد و در صورت پیاده‌سازی صحیح متغیرها، پاسخ با سرعت بسیار بالایی تحویل داده خواهد شد. به گفته Ohzeki هدفمان تخصیص بهینه منابع درمانی به بیماران است بر اساس علائمی که دارند به‌طوری‌که باعث ایجاد بار اضافی به مراکز درمانی و بیمارستان‌ها نشود. در حل چنین مساله‌ای باید  فاصله بیمار تا مرکز درمانی، علائم بیمار و ظرفیت آن مرکز درمانی را  در نظر داشت. Sigma-i مدعی است حالا زمان آن رسیده است که برای حل مشکلی نظیر این، بجای تکیه بر روش‌های رایج،  دست‌کم فناوری کوانتوم را بیازماییم. 
شرکت فولکس واگن از دیگر مشتریان D-Wave  است که حالا در طرح عرضه رایگان خدمات ابری کوانتومی D-Wave به متقاضیان مشاوره می‌دهد. این خودروساز برجسته پیش از این روی یک نرم‌افزار موبایلی ناوبری کوانتومی کار کرده بود که از سرویس ابری D-Wave استفاده می‌کرد (شکل ۴).

شکل۴- شرکت فولکس‌واگن از جمله مشتریان شرکت D-Wave است که با کمک رایانش ابری کوانتومی  نرم‌افزار موبایل مسیریابی کوانتومی عرضه کرده است.

Florian Neukart یکی از مدیران شرکت معتقد است: « قابلیت‌های بالقوه رایانش کوانتومی، فرصت‌های جدیدی را در راه مقابله با شیوع بیماری کووید ۱۹ پییش روی بشر قرار داده است.»
پروفسور Kristel Michielsen مدیر یک گروه پردازش کوانتومی اطلاعات در مرکز ابررایانش Jülich ( یا به‌اختصار JSC) آلمان و یکی از اعضای تیم توسعه‌دهندگانی است که D-Wave  برای ارائه خدمات مشاوره رایگان به محققان کووید ۱۹ در نظر گرفته است. او معتقد است دسترسی رایگان محققان به رایانش ابری کوانتومی سبب خواهد شد که روند یافتن پاسخ برای مسائل پیچیده‌ در حوزه داروسازی و همه‌گیرشناسی تسریع یابد که از جمله این مسائل پیچیده، شرایط بی‌سابقه‌ای است که در رابطه با کووید ۱۹ با آن روبه‌رو شده‌ایم. پروفسور  Michielsen اعلام کرده است که برای حداکثر استفاده از توانایی رایانش ابری کوانتومی D-Wave  در حل مسائل بهینه‌سازی و ترکیب این توانایی با قابلیت‌های هوش مصنوعی، مشغول یکپارچه‌سازی این سامانه با محیط HPC ماژولار مرکز رایانش  Jülich هستند. 

سایه ابر کوانتومی بر سلامت آیندگان

در حالت معمول دسترسی به سامانه پردازش کوانتومی D-Wave  ساعتی دوهزار دلار و دسترسی به سامانه پردازش ترکیبی آن هم ساعتی حدود صد دلار هزینه دارد. حالا و با رایگان شدن این خدمات، فرصت مناسبی پیش آمده است تا محققان امکان استفاده از رایانش کوانتومی را در یک میدان عملی بیازمایند. البته در این مسیر شرکت D-Wave  هم این فرصت بی‌نظیر را یافته است  که راهکارهای رایانش کوانتومی‌اش را در یک آزمون جهانی و مهم  مورد ارزیابی قرار دهد و از این فرصت بیاموزد.
پیامد‌های منفی شیوع  جهانی بیماری کووید ۱۹  ممکن است در کوتاه مدت سبب کاهش سرمایه‌گذاری‌ها در حوزه فناوری شود ولی از سوی دیگر باید توجه داشت شرایطی نظیر شیوع کرونا انگیزه‌ای شده است برای سرمایه‌گذاری روی فناوری‌های نوظهوری نظیر رایانش کوانتومی که ممکن است در ‌‌آینده در پیشگیری و مقابله با شیوع بیماری‌های مهلک کمک کنند.Murray Thom معاون بخش نرم‌افزار و خدمات ابری D-Wave  معتقد است که رایانش کوانتومی و یادگیری ماشین می‌توانند به‌خوبی با هم کار کنند. یادگیری ماشین و هوش مصنوعی پیشرفت‌های قابل‌توجهی در سال‌های اخیر داشته‌اند. پردازنده‌های دیجیتال هم به کمال قدرت خود رسیده‌اند. با گسترش تلاش‌ها برای بهبود عملکرد سامانه‌های پردازشی کوانتومی، می‌توان انتظار داشت که در آینده، ترکیب قابلیت‌های یادگیری ماشین، پردازشگر‌های دیجیتال و عصبی و رایانش کوانتومی، قدرتی به بشر بدهد تا پیش از هجوم ویروس‌ها، راهکارها را یافته باشد.
با این‌حالGil Press نویسنده Forbes  معتقد است:‌ «‌البته دولت‌ها باید این واقعیت تلخ را در نظر داشته باشند که سرمایه‌گذاری فقط روی توان و سرعت پردازشی ما را در برابر همه‌گیری‌های آینده مصون نخواهد کرد. در آمریکا به‌عنوان مثال، سیستم سلامت همچنان گرفتار زیرساخت‌هایی با فناوری  قدیمی است چنانکه یک بیمارستان هنوز نمی‌تواند به‌طور الکترونیکی با بیمارستانی چند کیلومتر آن‌سوتر ارتباط برقرار کند. حتا دیده شده که بخش‌های پزشکی واقع در یک ساختمان هم با چنین ضعفی مواجه هستند.» این درست مثل این است که شما یک خودروی پرسرعت داشته باشید، اما جاده‌ مناسبی برای راندن آن نداشته باشید. دستیابی به رایانش کوانتومی قابل اعتماد بدون در اختیار داشتن زیرساخت مناسبی که از آن حمایت کند، در عمل هیچ ارزشی نخواهد داشت.