پردازشگر کوانتومی سیکامور

پس از گذشت سه ماه از ادعای گوگل مبنی بر این‌که توانسته است با پردزاشگر کوانتومی خود با نام سیکامور رشته‌های بیتی شبه‌رندوم را در ۲۰۰ ثانیه تولید کند (کاری که به کمک کامپیوترهای مرسوم نزدیک به ده هزار سال! طول می‌کشد.) امروز در مجله نیچر(Nature) مقاله «برتری کوانتومی با استفاده از یک پردازشگر ابررسانا و برنامه‌پذیر» منتشر شد. کار بزرگی که می‌توان گفت از نظر ارزش علمی هم‌رده کشف ساختار DNA یا پیدایش حوزه یادگیری عمیق در هوش‌مصنوعی باشد.
کامپیوترهای کوانتومی در مقایسه با کامپیوترهای مرسوم مانند لپ‌تاپ‌ها، تلفن‌های هوشمند و حتی ابرکامپیوترهای مدرن از قدرت پردازش بسیار بالاتری برخوردار هستند. قابلیت فوق‌العاده بروت‌فورس(brute-force) در کامپیوترهای کوانتومی سوال‌های زیادی را در ذهن همگان ایجاد کرده است: که آیا الگوریتم‌های استخراج رمزارزها به‌ویژه بیت‌کوین شکسته می‌شوند؟ آیا شانس موفقیت در بازی‌های کازینویی به کمک کامپیوترهای کوانتومی بالاتر می‌رود؟ شبیه‌سازی سیستم‌های فیزیکی و ذرات تصادفی در آزمایشگاه‌ها امکان‌پذیر می‌شود؟ با این همه ساخت سیکامور اولین گام در این مسیر وسوسه‌انگیز است.
در سال ۱۹۹۴ شور(Shor) به صورت تئوری ثابت کرد که الگوریتم سرچ کوانتوم می‌تواند رمزنگاری RSA با کلید ۲۰۴۸بیتی را با مرتبه زمانی چندجمله‌ای بشکند.پس از موفقیت عملی سیکامور در پردازش کوانتومی، نگاه‌های زیادی را به خود معطوف کرده است. با این حال هنوز جای نگرانی زیادی برای شکستن رمز‌های RSA با کلید ۲۰۴۸ بیتی وجود ندارد زیرا برای شسکتن آن به میلیون‌ها کوابیت(واحد پردازش کامپیوترهای کوانتومی) نیاز است و خوشبختانه سیکامور بیشتر از ۵۳ کوابیت ندارد.

کامپیوترهای کوانتومی چگونه کار می‌کنند؟

اگر به زمان آلن تورینگ و ایده ماشین تورینگ به‌عنوان سنگ‌بنای طراحی کامپیوترهای امروزی بازگردیم، اطلاعات در بیت‌ها کد می‌شوند و بیت به عنوان واحد پردازش کامپیوتر مقدارهای صفر و یک را در خود دارد. سپس مجموعه‌ای از عملگرهای منطقی مانند NOT, OR, AND, ... روی اطلاعات کد شده قرار می‌گیرد و با توجه به الگوریتم طراحی شده توسط برنامه‌نویس، کامپیوتر محاسبات دستوری را انجام می‌دهد.

کامپیوترهای کوانتومی کمی متفاوت‌اند. واحد پردازش در آن‌ها به جای بیت، کوابیت یا کوانتوم‌بیت نام دارد. یک کوابیت یک سیستم مکانیکی دوحالته کوانتومی است. حالت پایه‌ای سیستم صفر و وضعیت برانگیخته سیستم یک است. (به طور مثال یک الکترون را درنظر بگیرید که می‌تواند حرکت دوار ساعت‌گرد و هم پادساعت‌گرد داشته باشد که بسته به نوع حرکت دوار الکترون حالت‌ها تغییر می‌کنند.)

ایده اصلی در محاسبات کوانتومی امکان برهم‌نهی حالات در سیستم است. برای درک بهتر موضوع اشاره‌ای به آزمایش گربه شرودینگر می‌کنیم. در این آزمایش ادعا می‌شود که یک سیستم می‌تواند در آن واحد در حالات مختلفی قرار داشته باشد. گربه درون جعبه می‌تواند همزمان هم زنده و هم مرده باشد! بنابراین برخلاف کامپیوترهای سنتی(!) که واحد پردازش با خاموش و روشن شدن چراغ بیانگر صفر و یک بودن وضعیت حالت هستند در کامپیوترهای کوانتومی هر کوابیت در یک لحظه می‌تواند هر دو حالت صفر و یک را دارا باشد (برهم‌نهی صفر و یک) و تنها پس از اتمام محاسبات توسط کامپیوتر مشخص می‌شود که حالت واقعی و صحیح سیستم چه بوده است. دقیقاً همان‌طوری که پس از بازکردن جعبه می‌توان فهمید که گربه زنده است یا نه. با توجه به تجربیات انسان‌ها، باور چنین فرضیه‌ای که چگونه یک کوابیت می‌تواند نسبت به یک بیت دودویی اطلاعات بیشتری را در خود جای دهد عجیب به نظر می‌آید، اما فراموش نکنیم که هنوز بسیاری از عوامل محتمل در طبیعت، همچنان در محاسبات انسان‌ها جای نگرفته‌اند.

تفاوت عمده کامپیوترهای کوانتومی با کامپیوترهای امروزی در پیش‌بینی، فلسفه جبری و احتمال است. در کامپیوترهای کوانتومی، ایجاد شرایط اولیه سیستم و الگوریتم اجرایی آن و در نهایت رسیدن به حالت مطلوب نهایی کار ساده‌ای نیست. در عوض، می‌توان توزیع احتمالاتی از حالات نهایی سیستم را پیش‌بینی کرد و حدس زد که حالت نهایی چگونه است. با تکرار پردازش‌های کوانتومی می‌توان پیش‌بینی دقیق‌تری از حالت نهایی سیستم کرد.

گوگل معتقد است که سیکامور شروع راه درستی است که به برتری کوانتومی می‌انجامد. آن‌ها لیستی از بایدها برای بهبود کامپیوترهای کوانتومی خود تهیه کرده‌اند که ارتقای کوابیت از مهم‌ترین آن‌هاست. بهبود نرخ خطای کوابیت‌ها و کاهش ذخیره نویز توسط کوابیت‌ها از اهداف یک ساله گوگل است. تغییرات اساسی نظیر دور زدن ناپایداری کوابیت‌ها، استفاده از روش‌های تصحیح خطای کوانتومی و در نهایت افزایش تعداد کوابیت‌ها از ۵۴ به یک میلیون جز اهداف بلند مدت گوگل ترسیم شده است که کامپیوترهای کوانتومی را بی‌رقیب خواهد ساخت. فقط باید صبر داشته باشید.