خودروهای بدون راننده، علم پزشکی،‌ تبدیل گفتار به متن و ده‌ها کاربرد دیگر با کامپیوترهای کوانتومی

منتشر‌شده در spectrum.ieee به تاریخ ۵ آوریل ۲۰۲۱
لینک منبع Diamond-Based Quantum Accelerator Puts Qubits in a Server Rack

سازندگان آن، این دستگاه را در حال رشد تا ۵۰کیوبیت و نصب بر روی وسایل نقلیه خودران ماهواره‌ای می‌بینند. یک کامپیوتر کوانتومی به اندازه یک کارت گرافیکی PC؟ یک شرکت نوپای استرالیایی-آلمانی می‌گوید که آن‌ها در حال کار بر روی یک تکنولوژی هستند که ممکن است در عرض پنج سال آن را تحویل دهد.

البته امروزه کامپیوترهای کوانتومی معمولا به بزرگی پردازنده‌های مرکزی هستند. با این حال، بریلیانس شروع کوانتومی از کامپیوتر کوانتومی مبتنی بر الماس و آماده بازار، تنها اندازه یک ماژول قفسه سرور را آشکار کرده است. آن‌ها می‌گویند که دستگاه‌های گرافیکی آن‌ها تا سال ۲۰۲۶می‌توانند یک ماهواره خانگی و وسایل نقلیه مستقل پیدا کنند.

شاید به مطالعه مقاله آیا منتظر محاسبات کوانتومی هستید؟ محاسبات احتمالات را امتحان کنید! علاقمند باشید.

در‌حالی‌که کامپیوترهای کلاسیک، ترانزیستورها را به صورت روشن یا خاموش تغییر می‌دهند تا داده‌ها را به صورت صفر یا یک نشان دهند، کامپیوترهای کوانتومی از کیوبیت‌های کوانتومی استفاده می‌کنند که به دلیل ماهیت سورئال فیزیک کوانتومی، می‌توانند در یک حالت از برهم نهی که در آن هر دو به صورت همزمان ۱و ۰ هستند، وجود داشته باشند. این امر اساسا به هر کیوبیت اجازه می‌دهد تا دو محاسبه را به طور همزمان انجام دهد.

اگر دو کیوبیت به صورت کوانتومی-مکانیکی به هم متصل شده باشند، می‌توانند به انجام ۲ ^ ۲ یا ۴ محاسبه به طور همزمان کمک کنند؛ سه کیوبیت، ۲ ^ ۳ یا ۸ محاسبه؛ و غیره. در نظریه، یک کامپیوتر کوانتومی با ۳۰۰ کیوبیت می‌تواند محاسبات بیشتری را در یک لحظه نسبت به اتم موجود در جهان قابل‌مشاهده انجام دهد.

اشکال بسیاری از کامپیوترهای کوانتومی این است که آن‌ها نیاز به دماهای سردتر از دماهای یافت‌شده در فضای عمیق و همچنین سیستم‌های پیچیده برای کنترل آن‌ها دارند. به این ترتیب، آن‌ها امروزه به طور معمول به شکل کابینت‌های به اندازه پردازنده‌های مرکزی بزرگ و حجیم هستند-و تنها به حل دشوارترین و در غیر این صورت رام‌نشدنی‌ترین مشکلات می‌پردازند، که شاید از طریق ابر به صورت آنلاین در دسترس قرار گیرند.

حال بریلیانس کوانتومی می‌گوید که آن‌ها یک کامپیوتر کوانتومی تجاری در دسترس را بر اساس الماس مصنوعی توسعه داده‌اند که می‌تواند در دمای اتاق عمل کند. مارکوس دوهرتی، فیزیک‌دان کوانتوم و افسر ارشد علمی در دانشگاه کیاوشان می‌گوید: «این اندازه یک کامپیوتر رومیزی یا یک قفسه ۱۹اینچی است.»

فن‌آوری بریلیانسی کوانتومی بر اساس نقص در الماس‌ها است که هر کدام منجر به یک اتم کربن از دست رفته در کریستال‌ها، با یک اتم نیتروژن سرکش واقع در همان نزدیکی می‌شود. این مراکز به اصطلاح «مراکز جای خالی نیتروژن» به عنوان کیوبیت عمل می‌کنند و الماس به حفاظت از آن‌ها در برابر اختلالات حرارتی و ناخالصی‌های مغناطیسی کمک می‌کند و عملیات را در دمای اتاق ممکن می‌سازد.

دوهرتی می‌گوید: «محاسبات کوانتومی الماس از سال ۲۰۰۱وجود داشته است.» اما در سال ۲۰۱۵به مانعی برخورد کرد که فراتر از چند بیت بود. قدرت کوانتوم در حال حاضر در حال غلبه بر این مانع است. به جای پردازنده‌های مرکزی کوانتومی، هدف از علم کوانتومی ساختن چیزی است که آن را «شتاب‌دهنده‌های کوانتومی»، کامپیوترهای کوانتومی فشرده و قوی، شبیه به شتاب‌دهنده‌های گرافیکی در کامپیوترهای شخصی می‌نامد. در ماه مارس، بریلیانس کوانتومی اعلام کرد که اولین شتاب‌دهنده‌های کوانتومی خود را در ماه ژوئن در مرکز ابرمحاسبات پاولی در پرت استرالیا نصب خواهد کرد.

دوهرتی می‌گوید: «به جای یک کامپیوتر کوانتومی بزرگ با کیوبیت‌های بسیار، می‌توان به کامپیوترهای کوانتومی کوچک اما بسیار زیادی فکر کرد که ممکن است به اندازه یک پردازنده بزرگ کوانتومی کیوبیت نداشته باشند، اما هنوز هم می‌توانند یک مزیت کوانتومی برای انتخاب وظایف فراهم کنند.» او اضافه می‌کند: برنامه پایونیر کوانتومی شرکت محاسبات عالی Pawsey در حال توسعه نرم‌افزاری برای این کامپیوترهای کوانتومی است.

نسل اول شتاب‌دهنده‌های کوانتومی بریلی کوانتومی کوانتوم تنها میزبان ۵ کیوبیت است. دوهرتی می‌گوید: «با این حال، در پنج سال آینده به اندازه یک کارت گرافیکی با بیش از ۵۰ قطعه خواهد بود.» گوگل با ۵۳ کیوبیت ادعا کرد که در مقایسه با کامپیوترهای کلاسیک به یک مزیت کوانتومی دست یافته است، و کامپیوتر کوانتومی سیکامور آن محاسبات را تنها در ۲۰۰ثانیه انجام می‌دهد که شرکت تخمین زده است که این ابر کامپیوتر اجلاس ۱۰ هزار سال طول می‌کشد. دوهرتی می‌گوید: «ما پیش‌بینی می‌کنیم که با ۱۴کیوبیت، قادر خواهیم بود یک پردازنده مدرن CPU را در یک کامپیوتر رومیزی در همان وظیفه اجرا کنیم.»

مجموعه‌ای از کاربردها تصویر بهره کوانتومی برای دستگاه‌های آن شامل چیزی است که محاسبات کوانتومی بسیار موازی را با بسیاری از شتاب‌دهنده‌های کوانتومی که با هم بر روی یک مسئله کار می‌کنند، گسترش می‌دهد. برای مثال، با انواع شبیه‌سازی‌های دینامیک مولکولی که اغلب برای کشف داروهای جدید مورد استفاده قرار می‌گیرند، «یک کامپیوتر کوانتومی با تعداد نسبتا کم کیوبیت می‌تواند عملکرد بهتری نسبت به سرور فردی در قفسه یک ابرکامپیوتر داشته باشد - این یک افزایش سرعت چشمگیر است.» «با اضافه کردن بسیاری از این کامپیوترهای کوانتومی به یکدیگر، شما می‌توانید یک سیستم شیمیایی پیچیده را شبیه‌سازی کنید، با هر کامپیوتر کوانتومی یک مولکول را در یک سیستم شیمیایی پیچیده حاوی تعداد زیادی مولکول شبیه‌سازی کنید.»

ممکن است مطالعه مقاله انقلاب رایانش کوانتومی برای شما جالب باشد.

مجموعه دیگری از کاربردها برای تکنولوژی سریلی کوانتومی کوانتوم شامل شتاب‌دهنده‌های کوانتومی موبایل در چیزی است که در آن شرکت محاسبات کوانتومی لبه را گسترش می‌دهد. دوهرتی می‌گوید: «تصور کنید که ماهواره دارید و می‌خواهید پردازش تصویر یا سیگنال را با آن انجام دهید.» ماهواره‌ها مقدار زیادی از سیگنال‌ها یا تصاویر را جمع‌آوری می‌کنند و در نتیجه اغلب توان محاسباتی کافی برای پیش فیلتر کردن یا پردازش آن داده‌ها وجود ندارد. گردش حجم عظیمی از داده‌ها نیز به دلیل ارتباطات محدود، یک مشکل است. بنابراین یک چیزی که کامپیوترهای کوانتومی به خوبی انجام می‌دهند دسته‌بندی احتمالات ترکیبی است، که دقیقا همان چیزی است که در شناسایی ویژگی و ردیابی ویژگی در پردازش تصویر و سیگنال انجام می‌شود. محاسبات کوانتومی می‌تواند جریان کار بر روی یک ماهواره یا دیگر محیط‌های محدود مانند وسایل نقلیه مستقل را فیلتر کند.

دوهرتی می‌گوید، وقتی صحبت از وسایل نقلیه مستقل و دیگر سیستم‌های مستقل می‌شود، شتاب‌دهنده‌های کوانتومی «می‌توانند از تصمیم‌گیری نیز پشتیبانی کنند.» کامپیوترهای کوانتومی در کاوش در مورد توالی‌های احتمالی رویدادها و شناسایی آنچه که محتمل‌ترین و خطرناک‌ترین توالی رویدادها هستند، بسیار خوب هستند. بنابراین اگر شما یک شبکه عصبی یا شبیه‌ساز دیگری داشته باشید که بتواند وضعیت فعلی را تحلیل کند و آینده احتمالی را شبیه‌سازی کند، یک شتاب‌ده کوانتومی می‌تواند از طریق آن جستجو کند و محتمل‌ترین و خطرناک‌ترین آینده را کشف کند.

دوهرتی می‌گوید: «کاربرد دیگر برای محاسبات کوانتومی لبه، پردازش زبان طبیعی مانند گفتار به متن است.» در حال حاضر دستگاه‌های لبه‌ای که گفتار را برای متن اجرا می‌کنند، خطاهای زیادی دارند، زیرا تراشه‌ها همبستگی بین دو بیت سخن، دو بیت کلمه، را از دست می‌دهند. یک شتاب‌دهنده کوانتومی می‌تواند به کاهش این خطاها کمک کند، بنابراین در همان بازه زمانی، شما می‌توانید یک گام تغییر در دقت به دست آورید.

دوهرتی می‌گوید: «یک کاربرد دیگر برای لبه، تصویربرداری پزشکی است، که در آن محدودیت‌هایی به غیر از محدودیت‌های توان محاسباتی وجود دارد-به عنوان مثال، در زمینه انتقال اطلاعات پزشکی بر روی ابر، محدودیت‌هایی در حریم خصوصی وجود دارد.» «شما می‌توانید یک کامپیوتر کوانتومی را برای پردازش تصویر با ام‌آر‌آی و سی‌تی‌اسکن در محل نصب کنید.»

پردازنده‌های مرکزی کوانتومی ممکن است در زمان اجرای نوع الگوریتم‌های کوانتومی که تنها برای اجرا در کامپیوترهای کوانتومی طراحی شده‌اند، عملکرد بهتری نسبت به شتاب‌دهنده‌های کوانتومی داشته باشند. وقتی شما کامپیوترهای کوانتومی کوچک زیادی دارید که روی چنین الگوریتم‌های کوانتومی خالص کار می‌کنند، توان محاسباتی آن‌ها به صورت خطی افزایش می‌یابد، اما وقتی شما یک کامپیوتر کوانتومی بزرگ با همان تعداد کیوبیت دارید که همگی درهم گره خورده‌اند، «شما یک رشد نمایی در توان محاسباتی می‌بینید.»

با این حال، بسیاری از کاربردها برای محاسبات کوانتومی در واقع شامل کامپیوترهای کوانتومی است که با کامپیوترهای کلاسیک در الگوریتم‌های کوانتومی هیبریدی کار می‌کنند. دوهرتی می‌گوید: «در این موارد، این واقعیت که شتاب‌دهنده‌های کوانتومی کوانتوم ممکن است عمیقا با کامپیوترهای کلاسیک ادغام شوند، می‌تواند مقدار کل زمان تبادل اطلاعات بین دو نوع مختلف کامپیوتر را کاهش دهد تا عملکرد بهتری از یک پردازنده بزرگ کوانتومی داشته باشد. »

این متن با استفاده از ربات مترجم مقاله تکنولوژی ترجمه شده و به صورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته است.در نتیجه می‌تواند دارای برخی اشکالات ترجمه باشد.

مقالات لینک‌شده در این متن می‌توانند به صورت رایگان با استفاده از مقاله‌خوان ترجمیار به فارسی مطالعه شوند.