گوگل گام مهمی در رایانش کوانتومی برداشت

 
آی‌تی‌من- پاییز گذشته، محققان گوگل اعلام کردند که به برتری کوانتومی (quantum superiority) دست یافته‌اند؛ یعنی نقطه‌ای که در آن، یک کامپیوتر کوانتومی می‌تواند اموری را انجام دهد که کامپیوترهای رایج از انجام آن ناتوانند. در آن زمان، برخی افراد این ادعای گوگل را بزرگنمایی دانستند. برنامه‌ای که گوگل روی کامپیوتر کوانتومی‌اش اجرا کرده بوده، به بررسی یک تولیدکننده اعداد تصادفی می‌پرداخت که ارزش عملی محدودی داشت و از نظر منتقدان، نشان نمی‌داد که ماشین کوانتومی این شرکت، در عمل بتواند کاری مفید انجام بدهد.

اما حالا، کامپیوتر کوانتومی گوگل دستاورد تازه‌ای را به ثبت رسانده و کاری کرده که می‌تواند در دنیای واقعی کاربرد داشته باشد. این ماشین با موفقیت، یک واکنش شیمیایی را شبیه‌سازی کرده است. این دستاورد، مسیر شیمی کوانتومی را باز می‌کند و می‌تواند به درک بهتر محققان از واکنش‌های مولکولی و در نهایت اکتشافات سودمندی مانند باتری‌های بهتر، راه‌های تازه برای تولید کود و روش‌های بهینه حذف دی‌اکسید کربن از هوا بینجامد.

تجربه برتری کوانتومی سال گذشته گوگل با استفاده از تراشه‌ای با نام سیکامور (Sycamore) انجام شد که مرکب از 53 کیوبیت بود. اما تجربه شیمی کوانتومی که گوگل در شماره 28 اوت ژورنال ساینس آن را منتشر کرده، بر پایه طراحی سیکامور، اما فقط با 12 کیوبیت انجام شده است.



رایان ببوش (Ryan Babbush) محقق مسوول توسعه الگوریتم‌های برای پروژه گوگل می‌گوید: این تجربه نشان داد که دستگاه ما یک کامپیوتر کوانتومی کاملا قابل برنامه‌ریزی است که می‌توان آن را برای هر کاری استفاده کرد.

محققان گوگل در این تجربه، ابتدا یک نسخه ساده‌سازی شده از حالت انرژی یک مولکول متشکل از 12 اتم هیدروژن را شبیه‌سازی کردند که هر کیوبیت، به عنوان تک الکترون اتم به کار گرفته شد. محققان سپس واکنش شیمیایی مولکول مرکب از اتم‌های هیدروژن و نیتروژن را مدل‌سازی کردند که این مدل‌سازی شامل شیوه تغییر ساختار الکترونیکی مولکول در زمانی می‌شد که اتم‌های هیدروژن از یک جهت به جهت دیگر تغییر مکان می‌دادند.

از آنجا که انرژی الکترون‌ها سرعت واکنش را در دمای مشخص یا غلظت مولکول‌های مختلف را تعیین می‌کند، چنین شبیه‌سازیی‌هایی می‌تواند به شیمی‌دان‌ها در درک دقیق واکنش و تغییر آن در شرایط دمایی یا محلول‌های شیمیایی متفاوت کمک کند.

البته این شبیه‌سازی را که به نام روال Hartree-Fock معروف است، روی کامپیوترهای رایج نیز می‌توان انجام داد و به این ترتیب، نشانگر برتری کامپیوتر کوانتومی نیست و از سوی دیگر، انجام این تجربه به کمک یک کامپیوتر رایج صورت گرفته که از یادگیری ماشین برای ارزیابی محاسبات و اصلاح دورهای جدید شبیه‌سازی کوانتومی استفاده کرده است. اما به گفته نیکلاس رابین، محقق تیم کوانتوم گوگل، این دستاورد، به روش‌های اساسی مورد استفاده در این پروژه مهر تایید می‌زند که در آینده، بخشی حیاتی در شبیه‌سازی‌های شیمی کوانتومی خواهد بود. از سوی دیگر، این تجربه از مورد قبلی محاسبات شیمی با کامپیوترهای کوانتومی، دو برابر بزرگ‌تر بوده است.

در مورد قبلی که در سال 2017 ثبت شده بود، آی‌بی‌ام یک شبیه‌سازی شیمی کوانتومی را با 6 کیوبیت انجام داده بود. به گفته رابین، در تجربه آی‌بی‌ام یک سیستم مولکولی با درجه‌ای از پیچیدگی بررسی شد که محققان در سال 1920 میلادی آن را دستی محاسبه می‌کردند. اما گوگل با افزایش دو برابری کیوبیت‌ها، محاسباتی را انجام داده که کامپیوترهای دهه 1940 میلادی قادر به انجام آن بودند.

ببوش می‌گوید: اگر تعداد کیوبیت‌ها را باز هم دو برابر کنیم، قادر به انجام محاسباتی خواهیم بود که با کامپیوترهای دهه 80 میلادی به بعد قابل انجام بود. دوبرابر کردن دوباره کیوبیت‌ها (یعنی رسیدن به 48 کیوبیت) نیز احتمالا ما را به قدرتی فراتر از کامپیوترهای رایج امروز خواهد رساند.

به گفته ژائو یوآن، محقق پسادکتری در انستیتو فیزیک تئوری دانشگاه استنفورد، در یادداشتی که همراه با مقاله گوگل در نشریه ساینس به چاپ رسیده، نوشته است: تا کنون، هیچ کامپیوتر کوانتومی به قدرت کامپیوترهای رایج نرسیده و حتی دستاوردهای گوگل در برتری کوانتومی نیز از سوی محققان آی‌بی‌ام، مورد تردید واقع شده‌ است. محققان آی‌بی‌ام مدعی‌اند که  روشی برای رسیدن به همان نتایج با یک سوپرکامپیوتر در دو روز و نیم یافته‌اند، هر چند که کامپیوتر کوانتومی گوگل، آن محاسبات را در حدود 3 دقیقه به انجام رساند.

اما به گفته یوآن، تجربه شیمی کوانتومی گوگل، گامی مهم در جهت یک هدف بزرگ است.

وی می‌نویسد: اگر ما بتوانیم از کامپیوتر کوانتومی برای حل مسایل دشوار قدیمی استفاده کنیم، خبر بسیار خوبی خواهد بود.

به گفته وی، هیچ دلیل نظری وجود ندارد که نتوان به این هدف دست یافت، اما چالش‌های تکنیکی، رسیدن از چند کیوبیت به صدها کیوبیت را دشوار و نیازمند مهندسی‌های پیچیده می‌کند. ساخت یک کامپیوتر کوانتومی عام منظوره با میلیون‌های کیوبیت، نیازمند توسعه پروتکل‌های تصحیح خطای پیچیده است که انجام آن، احتمالا یک دهه یا بیشتر زمان نیاز خواهد داشت.