تحول در رایانه‌های کوانتومی با پیشرفت غیرمنتظره دارپا

دارپا اعلام کرده که در برنامه موسوم به «ONISQ»، اولین مدار کوانتومی جهان را با استفاده از کیوبیت‌ها ساخته است.

به گزارش ایسنا و به نقل از نیو اطلس، یک برنامه متعلق به «سازمان پروژه‌های پژوهشی پیشرفتهٔ دفاعی آمریکا» یا «دارپا»(DARPA) مدعی پیشرفت بزرگی در محاسبات کوانتومی است. به گفته دارپا، برنامه «ONISQ» اولین مدار کوانتومی جهان را با «بیت‌های کوانتومی منطقی» یا «کیوبیت»(qubits) ایجاد کرده است.

براساس مفاهیمی که تقریبا شبیه به جادو یا دیوانگی به نظر می‌رسند، محاسبات کوانتومی این پتانسیل را دارد که رایانه‌ها را متحول کند. محاسبات کوانتومی با بهره‌برداری از اثرات کوانتومی و برخی ریاضیات نسبتا پیچیده می‌توانند پردازش اطلاعات را چندین برابر نسبت به محاسبات کلاسیک سرعت ببخشند و مرزهای هوش مصنوعی، بیوشیمی، رمزنگاری و بسیاری از زمینه‌های دیگر را پیش ببرند.

همه این موارد بسیار چشمگیر هستند اما انجام دادن محاسبات کوانتومی فراتر از فاز آزمایشی بسیار دشوار است. بخشی از دلیل آن این است که محاسبات کوانتومی، نرخ خطای بسیار بالایی دارند که تعجب‌آور نیست زیرا برخلاف بیت‌های کلاسیک که فقط می‌توانند در حالت‌های صفر یا یک باشند، یک کیوبیت می‌تواند در هر حالتی از ترکیب صفر و یک باشد.

ترفند این است که راهی برای تبدیل کردن پردازنده‌های مستعد خطا یا پر سر و صدا، به پردازنده‌های کاربردی‌تر پیدا شود. این کار از طریق ترکیب کردن آنها با سیستم‌های کلاسیک ممکن می‌شود. در برنامه دارپا، این کار شامل تمرکز بر حل مشکلات بهینه‌سازی است که در دفاع و صنعت با توسعه کیوبیت‌های منطقی رخ می‌دهند. کیوبیت‌های منطقی که در سطح بالاتری هستند، مانند الگوریتم‌های کوانتومی عمل می‌کنند و بر پایه «کیوبیت‌های رایدبرگ»(Rydberg qubits) هستند. کیوبیت‌های رایدبرگ، مولفه‌های فیزیکی هستند که مانند یک سیستم کوانتومی دو حالته عمل می‌کنند.

دکتر «موکوند ونگالاتوره»(Mukund Vengalattore) مدیر برنامه ONISQ در اداره علوم دفاعی دارپا گفت: کیوبیت‌های رایدبرگ، ویژگی سودمند همگن بودن را دارند؛ به این معنی که هر کیوبیت در نحوه رفتار خود از کیوبیت بعدی قابل تشخیص دادن نیست. این مورد برای پلتفرم‌های دیگر مانند کیوبیت‌های ابررسانا که در آنها هر کیوبیت منحصربه‌فرد است و قابل تعویض نیست، صدق نمی‌کند.

ونگالاتوره ادامه داد: همگن بودن کیوبیت‌های رایدبرگ به آنها امکان می‌دهد تا به سرعت مقیاس‌بندی شوند و همچنین به آنها امکان می‌دهد تا با استفاده کردن از لیزر در مدار کوانتومی، به راحتی جابه‌جا شوند. این روش بر روش‌های مستعد خطای کنونی غلبه دارد که برای انجام شدن عملکرد کیوبیت‌ها، به اتصال متوالی آنها می‌پردازند و خطاها را در سراسر تراشه منتشر می‌کنند. اکنون می‌توان پیکربندی مجدد کیوبیت‌ها را روی یک تراشه کوانتومی تصور کرد تا دیگر به فرآیند متوالی اجرای مدارهای کوانتومی محدود نباشد.

وی افزود: اکنون می‌توانیم کل مجموعه کیوبیت‌ها را با استفاده از موچین لیزری از یک نقطه مدار به مکان دیگری در آن بیاوریم، عملیات را اجرا کنیم و سپس آنها را به همان جایی بازگردانیم که در ابتدا بودند. کیوبیت‌های منطقی رایدبرگ با قابلیت پیکربندی مجدد و قابل حمل بودن، مفاهیم و پارادایم‌های کاملا جدیدی را برای طراحی و ساخت پردازنده‌های محاسباتی کوانتومی مقیاس‌پذیر ارائه می‌کنند.

دارپا در حال حاضر ۴۸ کیوبیت منطقی را به هم متصل کرده اما برای نزدیک شدن به سطح پیچیدگی مورد نیاز برای رایانه‌های کوانتومی، به تعداد زیادی کیوبیت دیگر نیاز است. در هر حال، این مقدار بسیار کمتر از میلیون‌ها کیوبیت است که ابتدا برای یک رایانه کوانتومی مقاوم به خطا مورد نیاز بودند.

دکتر «گیدو زوکارلو»(‌Guido Zuccarello) مشاور فنی دارپا گفت: اگر کسی سه سال پیش از آغاز برنامه ONISQ پیش‌بینی می‌کرد اتم‌های رایدبرگ خنثی که با یک یا چند الکترون برانگیخته می‌شوند و دارای عدد کوانتومی اصلی بسیار بالایی هستند، می‌توانند به عنوان کیوبیت‌های منطقی عمل کنند، هیچ کس آن را باور نمی‌کرد. این روش دارپا برای شرط‌ بستن روی پتانسیل این کیوبیت‌های کمتر مطالعه‌شده در کنار یون‌های بیشتر مطالعه‌شده‌ و مدارهای ابررساناست. برنامه ONISQ به عنوان یک برنامه اکتشافی، به پژوهشگران فرصت داد تا برنامه‌های منحصربه‌فرد و جدید را فراتر از تمرکز بر بهینه‌سازی آنها کشف کنند. در نتیجه، این گروه پژوهشی به رهبری «دانشگاه هاروارد» توانستند از پتانسیل بسیار بیشتر کیوبیت‌های رایدبرگ استفاده کنند و آنها را به کیوبیت‌های منطقی تبدیل سازند. این یک کشف بسیار مهم است.