کامپیوتر کوانتومی گوگل چگونه می تواند دنیا را متحول کند

هارتموت نیوِن به دنیاهای موازی اعتقاد دارد. این دانشمند ۵۳ ساله علوم کامپیوتر، صبح چند روز پیش در خارج از مرکز گوگل در لوس آنجلس برای من توضیح می داد که چگونه مکانیک کوانتوم- فیزیک اتم ها و ذرات – از نظریه ی چند دنیایی بودن پشتیبانی می کند. نیون به دستگاه ضبط صوت موجود در بین ما اشاره کرد. او گفت چیزی که ما می بینیم تنها یکی از “آرایش های کلاسیک” دستگاه است. “اما در جایی که اکنون درکی از آن نداریم نسخه های دیگری از آن وجود دارند.اکنون با حضور علم کوانتوم در دنیای تکنولوژی سوال این است که کامپیوترهای کوانتومی گوگل چطور جهان را تحت تاثیر خود قرار می دهند؟

گویا آی تی – ” طبق اظهارات نیون، این موضوع نه تنها برای ضبط صوت، بلکه برای تمام اشیاء فیزیکی صدق می کند. او می افزاید:” این موضوع حتی در مورد سیستم های پیچیده ای چون من و شما نیز صدق می کند. نسخه های متفاوتی از همه ی ما در یک دنیای موازی وجود دارد.”
نیون، که با لهجه ی غلیظ آلمانی صحبت می کند و به کتانی های صورتی و میخ دار کریستین لوبوتین (طراح لباس معروف) علاقه دارد، برخی از شگفت انگیز ترین پروژه های گوگل را هدایت و رهبری کرده است؛ از نرم افزار تشخیص تصویر تا Google Class، یکی از شکست های بزرگ تجاری که به ایده ی کامپیوترهای قرار گرفته روی سر (مانند عینک) می پردازد. کاری که اکنون پیش روی او است، پیچیده ترین کاری است که تا به حال انجام داده است: او باید کامیپوتری بر اساس قوانین عجیب مکانیک کوانتوم بسازد.
برای علم مکانیک کوانتوم هیچ توضیح مختصری وجود ندارد اما شاید بتوان آن را اینگونه توضیح داد: دانشمندان اثبات کرده اند که اتم ها می توانند در یک لحظه در دو وضعیت قرار بگیرند، پدیده ای که برهم نهی کوانتومی (Superposition) نام دارد. برای مثال یک اتم می تواند به طور همزمان در دو مکان حضور داشته باشد.
برهم نهی با افزایش مقیاس آن به مراتب پیچیده تر می شود. از آن جایی که همه چیز از اتم ساخته شده است، برخی از فیزیکدانان نظریه پردازی می کنند که تمامی اشیاء می توانند در چندین بعد وجود داشته باشند و همانطور که نیون بیان کرد، امکان ایجاد جهان های موازی را فراهم کنند.
حتی آبرت انیشتین هم نتوانست این پدیده را درک کند. این فیزیکدان برجسته و برنده ی جایزه ی نوبل ادعا کرد که افکار موجود در پشت مکانیک کوانتوم از بنیاد غلط است و مشکل دارد. از آن زمان به بعد دانشمندان به طور مکرر و پیوسته سعی در اثبات این نظریه داشته اند.

قرار است قوانین مکانیک کوانتوم انقلاب بعدی در روند محاسبات و ساخت کامپیوترها را رقم بزنند. در یک آزمایشگاه کوچک در خارج از شهر سانتا باربارا در کالیفرنیا، که با تخته های موج سواری، لباس های خیس و گیتارهای اکوستیک تزئین شده است، نیون و بیست و چهار فیزیکدان و مهندس دیگر از شرکت گوگل تلاش می کنند که مکانیک کوانتوم را برای ساخت یک کامپیوتر با قدرتی شگفت انگیز مهار کنند. یک کامپیوتر کوانتومی عظیم و قابل اطمینان می تواند صنایع را از سطح هوش مصنوعی به سطح شیمی بیاورد، و یادگیری ماشینی و مهندسی مواد و داروهای جدید را سرعت ببخشد.
ویجای پانده فیزیکدانی که عضوی از شرکت آندرسن هوروویتز در منطقه ی Silicon Valley است می گوید:” اگر این ایده محقق شود می تواند دنیا و شیوه انجام کارها را متحول کند.” شرکت آندرسن هوروویتز به حمایت مالی از استارت آپ Rigetti Computing پرداخته است.
سایر افراد گروه، به ویژه اشخاصی که در محیط های دانشگاهی حضور داشته اند، دیدگاه دقیق تری از این ایده دارند.
اسکات آرونسون، مدیر مرکز اطلاعات کوانتومی در دانشگاه تگزاس در آستین می گوید:” این کامپیوتر تنها نسخه ی سریعتری از کامپیوترهایی نیست که ما به آن ها عادت کرده ایم. این یک روش کاملا جدید برای مهار کردن طبیعت برای انجام محاسبات است. افراد معمولا از ما می پرسند: آیا این کامیپوتر جدید هزار برابر سریع تر است؟ آیا یک میلیون بار سریع تر است؟ این موضوع کاملا به نوع استفاده ای که از آن می شود بستگی دارد. این کامپیوتر می تواند در عرض یک دقیقه کارهایی را انجام دهد که ما در عصر کلاسیک جهان حتی نمی دانستیم که چگونه انجام می شوند. اما برای دیگر انواع کارها، یک کامیپوتر کوانتومی تنها می تواند کمک اندکی به شما بکند، و یا در برخی مواقع هیچ کمکی به بهتر شدن روند کارهای شما نخواهد کرد.”
برای مدت سه دهه، این ماشین ها بخشی از مباحث علمی و تخیلی محسوب می شدند. تنها چند سال پیش، دانشمندان به اتفاق آرا معتقد بودند که کامپیوترهای کوانتومی احتمالا تا ۲۰ سال آینده و یا حتی هرگز ساخته نمی شوند.
اسکات توتزک، مدیر اجرایی شرکت ایسارا، یک شرکت کانادایی که در راستای ساخت کدها و رمزهای مقاوم در برابر کامپیوترهای کوانتومی فعالیت می کند می گوید:” اکنون هیچ کس سخن از هرگز نمی گوید. ما در مراحل بسیار بسیار بسیار ابتدایی از این عصر جدید از فناوری قرار داریم، اما مدتی است که مرحله ی علمی تخیلی بودن آن را پشت سر گذاشته ایم.”
شرکت ها و دانشگاه ها در سراسر دنیا در حال رقابت کردن برای ساخت این کامیپوتر کوانتومی هستند و به نظر می رسد که گوگل، یکی از زیرمجموعه های شرکت چند ملیتی آلفابت، در این مسیر از سایر گروه ها پیشی گرفته است. قرار است در ابتدای سال آینده کامپیوتر کوانتومی گوگل سخت ترین آزمایش خود را به شکل یک مسئله ی محاسباتی مبهم پس دهد که حل کردن آن برای یک کامپیوتر کلاسیک میلیاردها سال طول می کشد. در صورت موفقیت، “برتری کوانتومی” تحقق پیدا می کند، نقطه ای که در آن یک کامپیوتر کوانتومی موفق به انجام کاری می شود که پیشتر غیر ممکن به شمار می آمده است. این نقطه ای است که دانشمندان علم کامپیوتر می گویند عصر جدیدی از محاسبات را آغاز خواهد کرد، و شما می توانید مراحل قبل از آن را عصر کلاسیک بنامید.

کامپیوترهای کلاسیک مانند لپ تاپ با گوشی شما، اطلاعات را با استفاده از بیت ها ذخیره و پردازش می کنند، که این بیت ها می توانند یکی از حالت های ۱ یا صفر را داشته باشند. بیت ها توسط مدارهای الکتریکی بسیار ریزی به نام ترانزیستور ها نشان داده می شوند که بین حالت (۱) و (صفر) تغییر می کنند. در آیفون شما هر تماس، عکس سلفی یا موسیقی، دنباله ای طویل از صفرها و یک ها خواهد بود.
بیت های کوانتومی یا کیوبیت ها از پدیده‌ی بر هم نهی برای حضور همزمان در دو وضعیت –یعنی همان حالت یک و صفر استفاده می کنند. در یک کامپیوتر کلاسیک، بیت ها مانند سکه هایی هستند که دو حالت شیر یا خط را نشان می دهند. اما از سوی دیگر کیوبیت ها مانند سکه هایی هستند که در حین پرتاب سکه در هوا می چرخند، و در عین حال هر دو طرف را نشان می دهند.
این قابلیت به کیوبیت ها اجازه می دهد که نسبت به بیت ها اطلاعات بیشتری را رمزگشایی کرده و پردازش کنند. آن قدر بیشتر که در واقع دانشمندان علوم کامپیوتر می گویند قدرتمندترین لپ تاپ های عصر حاضر، در برابر کامیپوترهای کوانتومی بیشتر شبیه چرتکه هستند. یک تراشه ی کوانتومی به اندازه ی نقطه ی پایانی این جمله، قدرت محاسبات مرکز داده ای را دارد که ابعاد آن تا چند بلوک از منطقه شهری ادامه یافته است.
این پتانسیل نتیجه ی رشد نمایی قدرت محاسبات است. افزودن یک بیت قدرت محاسبات یک تراشه ی کلاسیک را بدون شک افزایش می دهد، اما افزودن یک کیوبیت قدرت یک تراشه ی کوانتومی را دوبرابر می کند. یک تراشه ی کلاسیک ۳۰۰ بیتی نهایتا می تواند قدرت یک ماشین حساب معمولی را تأمین کند، در حالی که تراشه ی ۳۰۰ کیوبیتی قدرت محاسباتی دو novemvigintillion – برابر با یک دو با نود صفر در جلوی آن – بیت را دارد، عددی که از تعداد اتم های موجود در جهان هم بیشتر خواهد شد.
اما این نوع مقایسه کردن تنها در زمینه ی کارهای محاسباتی ویژه درست است.. مقایسه ی بیت با کیوبیت بسیار آسان است زیرا کامپیوترهای کوانتومی و کلاسیکی از اساس با یکدیگر تفاوت دارند. برخلاف کامیپوترهای کلاسیک، کامیپوترهای کوانتومی تمام راه حل های موجود برای یک مسئله را چک نمی کنند. در عوض، آن ها از الگوریتم هایی برای حذف کردن مسیرهایی که به پاسخ های نادرست منتهی می شود استفاده می کنند، تا تنها مسیر متنهی به پاسخ درست باقی بماند – و این الگوریتم ها تنها برای مسائل خاصی قابل استفاده هستند. این موضوع باعث می شود که کامیپوترهای کوانتومی برای کارهای روزمره مانند جست و جو در وب مناسب نباشند، بنابراین انتظار ساخت یک آیفون کوانتومی را نداشته باشید! اما کاری که این کامیپوترها می توانند انجام دهند، حل کردن مسائل خاص و بسیار پیچیده نظیر شبیه سازی مولکول های جدید برای ساخت قطعات سبک تر برای هواپیماها، داروهای موثرتر و باتری های بهتر است.
علاوه بر این، کامیپوتر های کوانتومی احتمال خطای بالاتری دارند که همین موضوع باعث شده است برخی از دانشمندان و ریاضی‌دانان قابلیت های آن را زیر سوال ببرند. گوگل و برخی شرکت های دیگر معتقدند راه حل این مشکل استفاده از الگوریتم های تصحیح خطا است، اما این الگوریتم ها برای بررسی کردن کارهای کیوبیت هایی که محاسبات را انجام می دهند، خود به کیوبیت های بیشتری نیاز دارند. برخی کارشناسان تخمین می زنند که کنترل کردن کار یک کیوبیت، به تنهایی به ۱۰۰ کیوبیت اضافه نیاز دارد.
کمی گیج شده اید؟ مشکلی نیست، شما تنها نیستید. بیل گیتس، بنیان گذار موسسه ی مایکروسافت در محاسبه ی اخیر خود با مجله ی WSJ گفته است که پروژه ی کامپیوترهای کوانتومی” تنها بخشی از مایکروسافت است که در آن اسلاید هایی ارائه می شوند که واقعا من آن ها را نمی فهمم.”

ریچارد فِین مَن، فیزیکدان نظریه پردازی که جایزه ی نوبل را دریافت کرده است این گونه توضیح می دهد:” من با اطمینان کامل می توانم بگویم که هیچ کس مکانیک کوانتوم را نمی فهمد.”
فین من یکی از نخستین کسانی بود که ایده ی کامپیوتر کوانتومی را مطرح کرد. او در کنفرانسی در سال ۱۹۸۱ گفته بود که شبیه سازی فیزیک به کامپیوتری نیاز دارد که بر اساس طبیعت یا مکانیک کوانتوم کار کند. او افزوده است: “طبیعت کلاسیک نیست. اگر شما بخواهید طبیعت را شبیه سازی کنید، بهتر است آن را به روش مکانیک کوانتوم انجام دهید.”
در طول دو دهه ی پس از این رویداد، محققان بارها تلاش کردند که ماشینی را که فین من مجسم کرده بود بسازند و هر بار با شکست مواجه شدند. کیوبیت ها خود را بسیار شکننده و بی ثبات نشان دادند. آن ها می توانند حالت بر هم نهی – حالتی که قدرت محاسباتی عظیم آن ها را فعال می کند – را تنها برای چند نانوثانیه، یا یک میلیاردم ثانیه حفظ کنند. و یک تغییر دمای تقریبا نامحسوس (بسیار کم) یا حتی یک مولکول هوا می تواند آن ها را از این حالت بیرون بیاورد.

جری چو دانشمند حوزه کامیپوترهای کوانتومی در IBM در یک سخنرانی گفته است:” این کار چیزی شبیه به حفظ تعادل یک تخم مرغ روی نوک یک سوزن است. قطعا شما می توانید این کار را انجام دهید، اما هر گونه مزاحمت از نوع صدا، گرما، ارتعاش و غیره می تواند حاصل کار شما را به یک نیمرو تبدیل کند.”
در پنج سال گذشته، دانشمندان پیشرفت های شگفت انگیزی در روند برقراری این تعادل داشته اند. در پاسخ به این پیشرفت ها، با روی آوردن گوگل، مایکروسافت، IBM و اینتل به این موضوع، سرمایه ها به سوی این پروژه سرازیر شده است و توجه مشتریان بالقوه هم به دنبال آن جلب شده است.
کمپانی فولکس واگن در حال آزمایش کردن کامپیوترهای کوانتومی خود است که توسط شرکت کانادایی D-Wave Systems ساخته شده است. در ماه مارس، این شرکت ها گفته اند که با استفاده از داده های GPS از ۱۰۰۰۰ تاکسی در پکن، توانسته اند الگوریتمی برای محاسبه ی سریع ترین مسیرها به فرودگاه، و به حداقل رساندن ترافیک بسازند. شرکت D-Wave می گوید اگر یک کامپیوتر کلاسیک بخواهد این کار را انجام دهد به حدود ۴۵ دقیقه زمان نیاز دارد، اما کامپیوتر کوانتومیِ ساخت این شرکت این کار را در کسری از ثانیه انجام داده است.
به این ترتیب به نظر می رسد که D-Wave در این رقابت پیروز شده است، اما مدل ۲۰۰۰Q این شرکت با هزینه‌ی ۱۵ میلیون دلاری تنها برای محدوده ی مشخصی از تحلیل داده ها به کار می آید که تست مخصوص فولکس واگن را نیز شامل می شود. در حالی که ۲۰۰۰Q به معنای داشتن ۲۰۰۰ کیوبیت است – عددی که دانشمندان هشدار می دهند نباید با کامپیوترهای کوانتومی همه کاره ی گوگل مقایسه شود – این ماشین به مرحله ی برتری کوانتومی نرسیده است. بو ایوالد، رئیس شرکت D-Wave می گوید مدل ۲۰۰۰Q برای دریافت بهترین پاسخ طراحی نشده است، بلکه طراحی آن برای یک “پاسخ نسبتا خوب برای مدتی کوتاه” بوده است.

روی کار آمدن کامپیوترهای عظیم و دقیق کوانتومی برای همه خوشایند نیست. همه ی کارهای ما از تراکنش های بانکی تا ارسال پیام ها با استفاده از الگوریتمی رمزگذاری شده است که به فاکتور گیری و یا عکس آن، ضرب کردن متکی است. یک عدد بزرگ –با چندصد رقم- به صورت یک قفل روی داده های رمز گذاری شده کار می کند، در حالی که دو مقسوم علیه اول این عدد کلید رمز ها هستند. این نوع از رمز گذاری با کلید عمومی، برای حفاظت از سوابق بهداشتی و سلامت افراد، تراکنش های آنلاین و حجم عظیمی از داده های حساس دیگر استفاده می شود زیرا پیدا کردن این دو مقسوم علیه اول برای کامپیوترهای کلاسیک سال ها طول می کشد. اما، طبق تئوری ها کامپیوترهای کوانتومی می توانند این کار را در یک لحظه انجام دهند.
شرکت ها و دولت ها در هیاهوی آماده شدن برای سالی هستند که یک کامپیوتر کوانتومی دقیق و عظیم وارد صحنه می شود؛ برخی آن را سال Y2Q می نامند و برخی کارشناسان تخمین می زنند که تا سال ۲۰۲۶ این کار محقق شود. زمانی که این اتفاق بیفتد، ممکن است حتی آن دسته از رازهای دیجیتالی ما که بیشترین و دقیق ترین سطح امنیتی را دارا هستند در معرض خطر افشا شدن قرار بگیرند.

سال گذشته آژانس امنیت ملی آمریکا NSA فرمانی را صادر کرده است که بر اساس آن کارمندان و توسعه دهندگان در سازمان های امنیت ملی این کشور باید “در آینده ای نه چندان دور” سیستم های رمزگذاری خود را برای مقابله با برابر تهدید اعمال شده از سوی کامپیوترهای کوانتومی اصلاح کنند. از آن جایی که اطلاعات امنیت ملی باید در طول دهه ها محرمانه نگاه داشته شده و حفظ شود، این آژانس می گوید پیش از روی کار آمدن این ماشین ها باید شیوه های رمزگذاری جدیدی برای محافظت از اطلاعات اعمال شود. NSA هشدار می دهد که در غیر این صورت، کامپیوترهای کوانتومی رمزگشا، برای امنیت ملی “فاجعه بار” خواهند بود.
دولت ها تنها به دنبال دفاع از اطلاعات محرمانه ی خود نیستند. اسناد افشا شده توسط پیمانکار سابق NSA ادوراد اسنودن در سال ۲۰۱۳ نشان داده است که این آژانس به عنوان بخشی از یک برنامه تحقیقاتی نفوذ به اهداف دشوار با بودجه ای در حدود ۸۰ میلیون دلار، در حال ساخت یک کامپیوتر کوانتومی مخصوص است. اما مشخص نیست که NSA تا چه اندازه در دستیابی به این هدف خود موفق بوده است. این آژانس تاکنون در مورد این اخبار اظهار نظر نکرده است.
انگیزه ی اصلی در رقابت برای ساخت کامپیوترهای کوانتومی احتمال بر هم خوردن و تحول صنایع است. کارشناسان بر این باورند که نزدیک ترین وعده ی این پروژه، جهشی شگفت انگیز در یادگیری ماشینی و هوش مصنوعی – دو زمینه ی علمی که به سرعت در حال رشد هستند – و کسب و کارهای مربوط به آن است. نیون از گوگل می گوید او انتظار دارد که تمامی فعالیت های یادگیری ماشینی در دهه‌ی آینده توسط کامپیوترهای کوانتومی انجام شود.
این رقابت تجاری در سال جاری به شکل قابل توجهی داغ تر شده است. در ماه می، شرکت IBM از تراشه ای ۱۶ کیوبیتی رونمایی کرد، که برای کامپیوترهای کوانتومی همه کاره یک رویداد مهم محسوب می شود. روز گذشته یک گروه تجاری مصاحبه ای از جان مارتینیس، مدیر سخت افزارهای کوانتومی گوگل را منتشر کرده است که در آن او از ساخت یک تراشه ی ۲۲ کیوبیتی توسط گوگل خبر می دهد.

اکنون تراشه های گوگل در آزمایشگاه سانتا باربارا در داخل محفظه های خاصی به نام کریستوتات قرار گرفته اند، که محصولی از پروژه ی کوانتوم به رهبری نیون در لوس آنجلس است. فضای این آزمایشگاه با وجود یک میز تنیس و بانگو (نوعی طبل) های مرتب شبیه به بخش جدا افتاده ای از محوطه ی دانشگاه کالیفرنیا در سانتا باربارا است. مارتینیس، که این مرکز را اداره می کند یک پروفسور فیزیکدان در دانشگاه کالیفرنیا (سانتا باربارا) است و بسیاری از کارکنان این مرکز هم از دانشجویان فارغ التحصیل شده ی او هستند. جلسات کارکنان هر از گاهی با ورود سگی که در این آزمایشگاه سکونت دارد متوقف می شود؛ سگی که او نیز کیوبیت نام دارد.
بعد از ظهر چند روز پیش، دنیل سانک و آمیت واینسنچر، دو مهندس آرام با موهای فرفری و مدارک تازه پی اچ دی از دانشگاه کالیفرنیا مرا به سمت یک کریستوتات قرار داده شده در گوشه ی آزمایشگاه هدایت کردند. از آن جایی که ذرات با کوچکترین مداخله ای از حالت بر هم نهی خارج می شوند، کامپیوترهای کوانتومی باید کاملا از عوامل خارجی محافظت شده و ایزوله باشند. سطح خارجی محفظه از جنس میو متال است، آلیاژی مغناطیسی که میدان مغناطیسی زمین را مسدود می کند. روی این سطح برچسبی با این مضمون نصب شده است:” کامپیوترِ دیگر من کلاسیک است.”

هلیوم متراکم شده و نیتروژن مایع، که توسط یک مخزن پوشیده از برفک در کنار این محفظه به داخل کریستوتات پمپ شده اند، فضای داخل آن را تا دمای ۴۵۹٫۶ درجه فارنهایت خنک می کند، دمایی که تنها کسری از درجه با پایین ترین درجه ی ممکن فاصله دارد. این کار رسانایی مورد نیاز کیوبیت ها را برای انجام محاسبات ایجاد می کند. واینسنچر پیش از تکان دادن سازه ای که کریستوتات را بالاتر از سطح زمین معلق نگاه می دارد تا تداخل ناشی از ارتعاش را به حداقل برساند، می گوید:”اگر شما این محفظه را تکان دهید، به وضوح می بینید که دما روی دما سنج افزایش می یابد.” و بعد از آن می افزاید:” احتمالا من نباید چنین کاری بکنم.”
تا اینجا تیم نیون در جنوب کالیفرنیا برای تکمیل کردن ساخت یک تراشه ی ۴۹ کیوبیتی رقابت می کنند که امیدوارند آن ها را به “برتری کوانتومی” برساند و به جبهه ی جدیدی از فناوری وارد کند که در آن کامپیوترها به جای تبدیل دنیا به صفر و یک، قوانین طبیعی پیچیده را اهرم کارها و محاسبات خود قرار دهند.
نیون می گوید:” در این نوع کامپیوترها هیچ ترانزیستوری وجود ندارد. این موجودات، هیولاهای بسیار متفاوتی هستند. کامپیوتر کوانتومی، شهروند بومی فضای چند دنیایی محسوب می شود.”