شرکت گوگل مدعی شده به یک برتری کوانتومی دست یافته است

به گزارش ائل اوبا به نقل از روزنامه فایننشیال تایمز و نشریه نیچر ؛ شرکت گوگل اعلام کرده کامپیوتر کوانتومی او اولین کامپیوتر کوانتومی است که محاسبه ای را انجام داده است که محاسبه آن برای کامپیوتر کلاسیک تقریبا غیر ممکن است.

گوگل بیان داشته به برتری کوانتومی. که مدت هاست منتظر انجام محاسبات کوانتومی بودند دست یافته است. این اطلاعیه که در 23 اکتبر در نشریه نیچر منتشر شده است ، پس از پنج هفته از انتشار نسخه اولیه این مقاله بوده که گوگل هیچ اظهار نظری درباره آن نکرده بود.

در وهله اول ، تیمی به سرپرستی جان مارتینیس ، فیزیکدان دانشگاه کالیفرنیا ، سانتا باربارا و گوگل در مانتین ویو کالیفرنیا می گویند که کامپیوتر کوانتومی آن محاسبه خاصی را انجام داده است که فراتر از توانایی کامپیوتر های کلاسیک است. برآورد گوگل از زمان این محاسبه به وسیله قوی ترین کامپیوتر کلاسیک 10,000 سال طول می کشد.

مارتینیس می گوید برتری کوانتومی مدت هاست که به عنوان نقطه عطف تلقی می شود ، زیرا ثابت می کند که کامپیوترهای کوانتومی می توانند از کامپیوترهای کلاسیک بهتر باشند. اگر چه این مزیت فقط بر روی یک مورد خاص مشخص شده است. ولی این را نشان می دهد که مکانیک کوانتوم در استفاده از یک محاسبه پیچیده کار می کند.

میشل سیمونز ، فیزیکدان کوانتومی در دانشگاه نیو ساوت ولز در سیدنی استرالیا می گوید: “به نظر می رسد گوگل اولین شواهد تجربی را در اختیار ما گذاشته است که می توان در سیستم دنیای واقعی به سرعت کوانتومی دست یافت”.

مارتینیس این آزمایش را به یک برنامه “سلام جهان” تشبیه کرده است. که با ارائه دستورالعمل برای نمایش آن عبارت ، سیستم جدیدی را آزمایش می کند. این به خودی خود مفید نیست ، اما به گوگل می گوید که سخت افزار و نرم افزار کوانتومی به درستی کار می کنند.

این شاهکار برای اولین بار در ماه سپتامبر توسط فایننشیال تایمز و سایر رسانه ها گزارش شد پس از انتشار نسخه اولیه این مقاله در وب سایت ناسا که با گوگل در زمینه محاسبات کوانتومی همکاری می کند. قبل از آن که خبر سریعا پنهان شود. در آن زمان این شرکت نه گردن گرفت که مقاله را نوشته است و نه درباره داستان ها اظهار نظر کرد.

اسکات آرانسان از دانشگاه تگزاس در آستین می گوید: با این که بررسی نتایج حاصل از تولید کننده عدد کوانتومی تصادفی کاربردهای عملی محدودی دارد ولی “این یک موفقیت بزرگ است”.

محققان خارج از گوگل قبلا تلاش کردند تا الگوریتم های کلاسیک مورد استفاده برای حل این مشکل را بهبود بخشند. به امید پایین آوردن زمان محاسبه 10,000 ساله. آی بی ام رقیب اصلی گوگل در ساخت کامپیوتر کوانتومی در 21 اکتبر در گزارشی نوشت این مشکل در محاسبه را می توان با استفاده از تکنیک خاص با کامپیوتر های کلاسیک در 2.5 روز حل کرد. اگر آی بی ام درست بگوید این از مزیت کامپیوتر کوانتومی گوگل می کاهد. انجام یک محاصبه سریع به وسیله یک کامپیوتر کلاسیک چیز غیر قابل دسترسی نیست.

سیمونز می گوید این همچنان یک واقعه قابل توجه خواهد بود. “تا آنجا که من مطلع هستم, اولین باری است که اتفاق افتاده است, پس قطعا نتیجه بزرگی است”.

راه حل های سریع

کامپیوترهای کوانتومی کاملاً متفاوت با ماشین های کلاسیک کار می کنند: یک بیت کلاسیک یا 1 یا 0 است ، اما یک بیت کوانتومی یا کیوبیت می تواند در چندین حالت به طور هم زمان وجود داشته باشد. هنگامی که کیوبیت ها به طور غیرقابل پیوندی پیوند می خورند ، فیزیکدانان می توانند از لحاظ نظری از مداخلات بین حالت های کوانتومی مانند موج خود برای انجام محاسباتی استفاده کنند که در غیر این صورت ممکن است میلیون ها سال طول بکشد.

فیزیکدانان تصور می کنند رایانه های کوانتومی ممکن است روزی الگوریتم های انقلابی را اجرا کنند که به عنوان مثال می تواند پایگاه داده های ناپایدار را جستجو کند یا تعداد زیادی عامل مهم تر ، رایانه هایی که می توانند در رمز گذاری استفاده شوند. اما با این اپلیکیشن ها سال ها فاصله داریم.

هر چه تعداد کوبیت ها بیشتر به هم وصل شوند حفظ حالت شکننده آنها هنگام کار دستگاه سخت تر است. الگوریتم گوگل بر روی یک تراشه کوانتومی متشکل از 54 کیوبیت اجرا می شود, هر کدام از حلقه های ابر رسانا ساخته شده اند. اما این بخش کوچکی از یک میلیون کوبیت است که می تواند برای یک دستگاه همه منظوره مورد نیاز باشد.

کریستوفر مونرو ، فیزیکدان دانشگاه مریلند در کالج پارک ، می گوید کار گوگل برای کامپیوتر کوانتومی خود کمی عجیب است. فیزیکدانان گوگل برای اولین بار در سال 2016 این مشکل را ایجاد کردند و به گونه‌ای طراحی شده است که برای یک رایانه معمولی بسیار مشکل است.

این تیم رایانه خود را با نام Sycamore به چالش کشیدند. برای توصیف احتمال نتایج متفاوت از نسخه کوانتومی یک مولد عدد تصادفی. آنها این کار را با اجرای یک مدار انجام می دهند که 53 کوبیت را از طریق یک سری عملیات تصادفی عبور می دهد. این یک رشته 53 رقمی از 1 و 0 ایجاد می کند – در مجموع 253 ترکیب ممکن (فقط 53 کیوبیت مورد استفاده قرار گرفت چون یکی از 54 کیوبیت Sycamore خراب شد). فرایند آنقدر پیچیده است که محاسبه از اصول اول غیرممکن است و به همین دلیل کاملاً تصادفی است. اما به دلیل تداخل بین کیوبیت ها برخی از اعداد بیشتر از سایرین اتفاق می افتند. این شبیه به انداختن تاس است ، همیشه اعداد تصادفی تولید می کند ، حتی اگر نتیجه از بقیه نتایج بیشتر باشد.

Sycamore توزیع نمونه را با نمونه برداری از مدار محاسبه کرد – یک میلیون بار آن را اجرا کرد و رشته های خروجی مشاهده شده را اندازه گیری کرد. این روش شبیه به چرخاندن برای نشان دادن سوگیری و متمایل شدن به یک طرف آن است. در معنی واحد ، به گفته مونرو ، دستگاه کاری را انجام می دهد که دانشمندان هر روز انجام می دهند : استفاده کردن از یک آزمایش برای یافتن پاسخ به یک مسئله کوانتومی که در محاسبه کلاسیک غیرممکن است. به گفته وی تفاوت اصلی این است که رایانه گوگل یک منظوره نیست بلکه قابل برنامه ریزی است و با هر تنظیماتی می تواند بر روی یک مدار کوانتومی اعمال شود.

بررسی راه حل چالشی دیگری بود. برای انجام این کار ، این تیم نتایج را با شبیه سازی نسخه های کوچکتر و ساده تر جریان ، که توسط کامپیوترهای کلاسیک انجام شده اند – از جمله ابر رایانه Summit در آزمایشگاه ملی Oak Ridge در تنسی مقایسه کردند. با قیاس از این جریان . تیم گوگل تخمین می زند که شبیه سازی مدار کامل 10,000 سال حتی در رایانه ای با یک میلیون واحد پردازش طول بکشد (معادل 100,000 رایانه رومیزی) . Sycamore فقط 3 دقیقه و 20 ثانیه طول کشید.

گوگل تصور می کند شواهد آنها برای اثبات برتری کوانتومی کافیست. حتی اگر محققان خارجی زمان لازم برای انجام شبیه سازی کلاسیک را کاهش دهند ، سخت افزار کوانتومی در حال پیشرفت است – منظور برای این مشکل ، هارتموت نون ، مدیر تیم محاسبات کوانتومی گوگل ، می گوید: حتی اگر محققان خارجی زمان لازم برای انجام شبیه سازی کلاسیک را کاهش دهند ، سخت افزار کوانتومی در حال بهبود است – یعنی بعید است کامپیوترهای معمولی به این نتیجه دست یابند.

اپلیکیشن های محدود

مونرو می گوید با جلب دانشمندان و مهندسین رایانه در این زمینه ، دستیابی به موفقیت گوگل ممکن است. اما وی همچنین هشدار می دهد كه این خبر می تواند این تصور را ایجاد كند كه رایانه های كوانتومی واقعا به مسیر عملی اصلی اپلیکیشن ها نزدیک تر هستند. مونرو گفت: “داستان در خیابان است آنها بلاخره کامپیوتر های معمولی را تخریب و از کار افتاده کردند : خب بزن بریم ، دو سال است و ما حالا یکی در خانه مان داریم”.

مونرو می افزاید ، در واقعیت دانشمندان هنوز نشان نداده اند که یک کامپیوتر کوانتومی قابل برنامه ریزی می تواند یک کار مفید را حل کند که به هیچ روش دیگری قابل انجام نیست ، مانند محاسبه ساختار الكترونیكی یک مولكول خاص – یك مشكل بزرگ كه نیاز به مدل سازی فعل و انفعالات كوانتومی چندگانه دارد. هارونسون می گوید ، گام مهم دیگر ، نشان دادن برتری کوانتومی در یک الگوریتم است که از یک فرآیند معروف به تصحیح خطا استفاده می کند – روشی برای تصحیح خطاهای ناشی از سر و صدا که در غیر این صورت محاسبه را خراب می کند. فیزیکدانان تصور می کنند که این امر برای عملکرد رایانه های کوانتومی در مقیاس عمل ضروری است.

مارتینز می گوید ، گوگل در تلاش است تا به هر دو این نقاط عطف دست پیدا کند و نتایج آزمایش های خود را در ماه های آینده منتشر کند.

آرونسون می گوید آزمایشی که گوگل برای نشان دادن برتری کوانتومی طراحی کرده است ممکن است کاربردهای عملی داشته باشد : او یک پروتکل ایجاد کرده است تا بتواند از چنین محاسباتی استفاده کند و به کاربر ثابت کند که بیت های تولید شده توسط یک مولد عددی کوانتومی واقعاً تصادفی هستند. به عنوان مثال ، در رمزنگاری و برخی ارزهای رمزپایه ، که امنیت آنها به کلیدهای تصادفی متکی است ، می تواند مفید باشد.

مهندسین گوگل برای اجرای الگوریتم نیاز دارند تا سخت افزارشان را بروز رسانی کنند، مارتینیس می گوید ، ساخت وسایل الکترونیکی جدید برای کنترل مدار کوانتومی و ابداع روشی جدید برای اتصال کیوبیت ها. مارتینیس گفت: ” این واقعا پایه ای است که ما می خواهیم به سمتش حرکت کنیم و در آینده افزایش دهیم. این معماری اساسی راه پیش رو است”.

ترجمه از ائل اوبا