محاسبات کوانتومی چیست؟

منتشر‌شده در nvidia به تاریخ ۱۲ مارس ۲۰۲۱
لینک منبع What Is Quantum Computing?

کامپیوترهای کوانتومی، که هنوز در دوران کودکی خود هستند، بر یک نسل جدید از شبیه‌سازی‌ها که در حال حاضر بر روی کامپیوترهای کلاسیک اجرا می‌شوند، تاثیر می‌گذارند و در حال حاضر با NVIDIA کیوکوانتوم SDK شتاب می‌گیرند. بیست و هفت سال قبل از اینکه (استیو جابز) از یک کامپیوتر که شما می‌توانید در جیب خود بگذارید پرده‌برداری کند، یک فیزیک‌دان به نام (پال بنیوف) مقاله‌ای منتشر کرد که نشان می‌داد از لحاظ نظری امکان ساخت یک سیستم بسیار قوی‌تر وجود دارد که شما می‌توانید در یک انگشت آنها را پنهان کنید-یک کامپیوتر کوانتومی-.

مفهوم بنیوف که در سال ۱۹۸۰ برای فیزیک زیر اتمی با هدف مهار کردن نام گذاری شد، هنوز هم به تحقیقات از جمله تلاش برای ساخت چیز بزرگ بعدی در محاسبات دامن می‌زند: سیستمی که می‌تواند یک کامپیوتر شخصی را وادار کند تا به روش‌هایی به عنوان یک آباکوس(چرتکه یا محاسبه‌گر) جالب توجه باشد.

مطالعه مقاله آیا منتظر محاسبات کوانتومی هستید؟ محاسبات احتمالات را امتحان کنید! توصیه می‌شود.

ریچارد فاینمن-برنده جایزه نوبل که سخنرانی‌های پر زرق و برق او، فیزیک را برای مخاطبان گسترده‌ای به ارمغان آورد - به ایجاد این زمینه کمک کرد، و به طراحی این موضوع پرداخت که چگونه چنین سیستم‌هایی می‌توانند پدیده‌های کوانتومی عجیب‌و‌غریب را موثرتر از کامپیوترهای سنتی شبیه‌سازی کنند. پس …

محاسبات کوانتومی چیست؟

محاسبات کوانتومی یک رویکرد پیچیده برای انجام محاسبات موازی، با استفاده از فیزیک حاکم بر ذرات زیراتمی برای جایگزینی ترانزیستورهای ساده‌تر در کامپیوترهای امروزی است.

کامپیوترهای کوانتومی با استفاده از کیوبیت، واحدهای محاسباتی که می‌توانند روشن، خاموش یا هر مقدار بینابینی، به جای بیت در کامپیوترهای سنتی که یا روشن یا خاموش، یک یا صفر هستند، محاسبه می‌شوند. توانایی کیوبیت برای زندگی در حالت بینابین که برهم نهی نامیده می‌شود، توانایی قدرتمندی به معادله محاسباتی اضافه می‌کند و کامپیوترهای کوانتومی را برای برخی از انواع ریاضیات برتری می‌دهد.

یک کامپیوتر کوانتومی چه کاری انجام می‌دهد؟

با استفاده از کیوبیت، کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند از طریق محاسباتی که کامپیوترهای کلاسیک آن را در یک زمان طوولانی انجام می‌دهند، راه خود را باز کنند - حتی اگر بتوانند آن‌ها را تمام کنند. برای مثال، کامپیوترهای امروزی از هشت بیت برای نشان دادن هر عددی بین ۰ و ۲۵۵ استفاده می‌کنند. به لطف ویژگی‌هایی مانند برهم نهی، یک کامپیوتر کوانتومی می‌تواند از هشت کیوبیت برای نشان دادن هر عدد بین ۰ و ۲۵۵ به طور همزمان استفاده کند.

این یک ویژگی مانند متوازی‌الاضلاع در محاسبات است: همه احتمالات در یک زمان پی‌درپی محاسبه می‌شوند، و افزایش سرعت عظیمی را فراهم می‌کنند. بنابراین، در‌حالی‌که یک کامپیوتر کلاسیک از طریق محاسبات تقسیم طولانی گام بر‌می‌دارد، یک کامپیوتر کوانتومی می‌تواند پاسخ را در یک مرحله بدست آورد. این بدان معناست که کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند تمام زمینه‌ها را تغییر شکل دهند، مانند رمزنگاری، که بر اساس فاکتورگیری چیزی است که امروزه به طور باور نکردنی بزرگ است.

نقش بزرگی برای شبیه‌سازی‌های کوچک، این ممکن است فقط شروع کار باشد.

برخی از کارشناسان بر این باورند که کامپیوترهای کوانتومی از طریق محدودیت‌هایی که در حال حاضر مانع از شبیه‌سازی در شیمی، علم مواد و هر چیزی که شامل جهان ساخته‌شده بر روی آجرهای نانو مقیاس مکانیک کوانتومی می‌شود، نابود خواهند شد. کامپیوترهای کوانتومی حتی می‌توانند با کمک به مهندسان برای ایجاد شبیه‌سازی‌های دقیق‌تری از اثرات کوانتومی که شروع به یافتن آن‌ها در کوچک‌ترین ترانزیستورهای امروزی کرده‌اند، طول عمر نیمه‌هادی‌ها را افزایش دهند. در واقع، کارشناسان می‌گویند که کامپیوترهای کوانتومی در نهایت جایگزین کامپیوترهای کلاسیک نخواهند شد، آن‌ها، آن‌ها را تکمیل خواهند کرد.

و برخی پیش‌بینی می‌کنند که کامپیوترهای کوانتومی به عنوان شتاب‌دهنده‌ها استفاده خواهند شد همانطور که GPU ها امروزه به کامپیوترهای امروزی سرعت می‌بخشند.

شاید مطالعه مقاله انقلاب رایانش کوانتومی برای شما جذاب باشد.

محاسبات کوانتومی چگونه کار می‌کند؟

انتظار نداشته باشید که کامپیوتر کوانتومی خود را مانند یک DIY PC با بخش‌هایی که از سطل‌های تخفیف یافته در فروشگاه لوازم الکترونیکی محلی جمع‌آوری شده‌اند، بسازید. تعداد انگشت‌شماری از سیستم‌هایی که امروزه کار می‌کنند، به طور معمول به تبرید نیاز دارند که محیط‌های کاری را درست در شمال صفر مطلق ایجاد می‌کند.

آن‌ها نیاز دارند که مدار قطبی را محاسبه کنند تا حکومت‌های کوانتومی شکننده را که این سیستم‌ها را تغذیه می‌کنند، اداره کنند. با توجه به سختی ساخت یک کامپیوتر کوانتومی، یک نمونه اولیه یک اتم بین دو لیزر را برای ایجاد کیوبیت معلق می‌کند. آن را در کارگاه خانگی خود امتحان کنید! این زمانی است که دو یا چند کیوبیت در یک حالت کوانتومی واحد وجود دارد، شرایطی که گاهی اوقات توسط امواج الکترومغناطیسی تنها با عرض یک میلیمتر اندازه‌گیری می‌شود.

آن موج را با انرژی بیش از حد موی خود مرتب کنید و گرفتار شدن و یا هر دو را از دست بدهید. نتیجه حالت پرسروصدایی است به نام دیکورنس، معادل در محاسبات کوانتومی صفحه آبی مرگ.

چشم‌انداز برای محاسبات کوانتومی چیست؟

امروزه تعداد انگشت شماری از شرکت‌ها مانند Alibaba، Google، haeywell، IBM، IonQ و Xanadu نسخه‌های اولیه کامپیوترهای کوانتومی را اجرا می‌کنند. امروزه آن‌ها ده‌ها قطعه کوچک فراهم می‌کنند. اما چیزهای عجیب و غریب ممکن است پر سر و صدا باشند و گاهی اوقات غیرقابل‌اعتماد شوند. برای حل مطمئن مشکلات دنیای واقعی، سیستم‌ها به ده‌ها یا صدها هزار کیوبیت نیاز دارند.

کارشناسان بر این باورند که ممکن است چند دهه طول بکشد تا به دوران وفاداری بالایی برسیم که در آن کامپیوترهای کوانتومی واقعا مفید هستند.

پیش‌بینی‌های زمانی که به برتری به اصطلاح محاسبات کوانتومی می‌رسیم-زمانی که کامپیوترهای کوانتومی وظایف کلاسیک را اجرا می‌کنند-موضوع بحث زنده در این صنعت است.

سرعت بخشیدن به شبیه‌سازی‌های مدار کوانتوم امروز

خبر خوب این است که جهان AI و یادگیری ماشینی بر روی شتاب‌گرانی مانندGPU ها متمرکز شده است، که می‌توانند بسیاری از انواع عملیات کامپیوترهای کوانتومی که با کیوبیت محاسبه می‌شوند را انجام دهند. بنابراین امروزه کامپیوترهای کلاسیک در حال یافتن راه‌هایی برای میزبانی شبیه‌سازی‌های کوانتومی با GPU ها هستند. به عنوان مثال، NVIDIA یک شبیه‌سازی کوانتومی پیشرو را بر روی (سلن)، ابرکامپیوتر AI داخل خانه ما اجرا می‌کند.

شرکت NVIDIA در کلید GTC، کیوکوانتوم SDK را برای سرعت بخشیدن به شبیه‌سازی‌های مدار کوانتومی در حال اجرا بر روی GPU ها اعلام کرد. تحقیقات اولیه نشان می‌دهد که کیوکوانتوم قادر خواهد بود تا ترتیب بزرگی از افزایش سرعت را ارائه دهد. SDK یک رویکرد ندانم‌گرا اتخاذ می‌کند و ابزاری را که کاربران می‌توانند به بهترین نحو متناسب با رویکرد خود انتخاب کنند، ارائه می‌دهد. به عنوان مثال، روش بردار حالت نتایج با وفایی بالایی را ارائه می‌دهد، اما حافظه مورد نیاز آن به صورت نمایی با تعداد کیوبیت رشد می‌کند.

که حد عملی تقریبا ۵۰ کیوبیت در بزرگ‌ترین ابرکامپیوترهای کلاسیک امروزی ایجاد می‌کند. با این وجود، ما با استفاده از کیوکوانتوم برای شتاب بخشیدن به شبیه‌سازی‌های مدار کوانتومی که از این روش استفاده می‌کنند، نتایج خوبی را مشاهده کرده‌ایم (در زیر).

محققان مرکز ابرمحاسبات خولیش، تحقیق عمیقی را در کار خود با روش بردار حالت در جلسه E31941 در GTC (بدون ثبت‌نام) ارائه خواهند کرد. یک رویکرد جدیدتر، شبیه‌سازی‌های شبکه تانسوری، از حافظه کم‌تر و محاسبات بیشتر برای انجام کار مشابه استفاده می‌کند.

با استفاده از این روش، NVIDIA و Caltech یک شبیه‌ساز پیشرفته مدار کوانتومی را با اجرای کیوکوانتوم بر روی پردازنده‌های هسته‌ای سنسور NVIDIA A100 تسریع کردند. این شرکت نمونه‌ای از یک شبیه‌سازی مدار کامل از مدار گوگل سیکامور را در ۹.۳ دقیقه در سلن تولید کرد، وظیفه‌ای که ۱۸ ماه پیش متخصصان فکر می‌کردند استفاده از میلیون ها هستهCPU روز به روز طول می‌کشد.

ممکن است به مطالعه مقاله محاسبات کوانتومی: اولین رایانه کوانتومی اختصاصی بخش خصوصی IBM به این آزمایشگاه تحقیقاتی می‌رود! علاقمند باشید.

جانی گری، یک دانشمند تحقیقاتی در دانشگاه کالتک، گفت: «با استفاده از بسته‌های Cotengra/Quimb، کیوکوانتوم SDK جدید NVIDIA و سوپرکامپیوتر سلن، ما نمونه‌ای از مدار کوانتومی سیکامور را در عمق m = ۲۰ در زمان ثبت کم‌تر از ۱۰ دقیقه تولید کرده‌ایم.»

گارنت چان، استاد شیمی در کلتک که آزمایشگاهش میزبان این کار بوده است، می‌گوید: «این معیار عملکرد شبیه‌سازی مدار کوانتومی را تنظیم می‌کند و با بهبود توانایی ما در تایید رفتار مدارهای کوانتومی، به پیشبرد زمینه محاسبات کوانتومی کمک خواهد کرد.» NVIDIA انتظار دارد که بهره عملکرد و سهولت استفاده از کیوکوانتوم آن را به یک عنصر بنیادی در هر چارچوب محاسبات کوانتومی و شبیه‌ساز در لبه برش این تحقیق تبدیل کند.

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.