دانشگاه علم و فناوری چین مدعی دستیابی به برتری کوآنتومی شد

گروهی از محققان دانشگاه علم و فناوری چین طی گزارشی که از آن به‌عنوان یک دستاورد رایانشی مهم یاد کرده‌اند، می‌گویند از طریق دستگاهی که می‌تواند ذرات ریز نور را دستکاری کند به برتری کوآنتومی رسیده‌اند. این سیستم که با اسم جیوژنگ (Jiuzhang) شناخته می‌شود توانسته رایانشی کوآنتومی به‌نام (Gaussian boson sampling (GBS را انجام دهد که ظاهرا انجام آن برای کامپیوترهای کلاسیک فوق‌العاده دشوار است.

برتری کوآنتومی زمانی حاصل می‌شود که یک دستگاه کوآنتومی بتواند کاری فراتر از توان کامپیوترهای کلاسیک را انجام دهد. انجام این کار معمولا برای کامپیوترهای کلاسیک غیرممکن است یا زمان بسیار زیادی می‌طلبد. حالا جیوژنگ توانسته GBS را در ظرف مدت ۲۰۰ ثانیه به پایان برساند در حالی که محققان می‌گویند انجام همین کار با سریع‌ترین ابرکامپیوتر دنیا، یعنی فوگاکو، حدود ۶۰۰ میلیون سال طول می‌کشد.

برتری کوآنتومی تاکنون فقط یک بار و آن هم توسط محققان گوگل ادعا شده بود. آن‌ها در گزارشی اعلام کردند که پردازنده‌ای با ۵۴ کیوبیت ساخته‌اند که توانسته رایانشی آزمایشی را ظرف مدت ۲۰۰ ثانیه انجام دهد. این آزمایش، به گفته محققان گوگل، در ابرکامپیوترهای بزرگ به ۱۰ هزار سال زمان نیاز دارد.

کیوبیت‌ها به‌خاطر این‌که می‌توانند در حالت دوگانه کوآنتومی قرار بگیرند و محاسبات زیادی را در یک آن انجام دهند، توان رایانشی بی‌نظیری دارند. محققان انتظار دارند که کامپیوترهای کوآنتومی بتوانند با کیوبیت‌های پایدارِ کافی صنایع مختلفی از هوش مصنوعی گرفته تا حمل و نقل و زنجیره تامین را متحول کنند.

منتها بخش چالش‌برانگیز ماجرا به ساخت و حفظ کیوبیت‌های کافی برای سودمندسازی کامپیوترهای کوآنتومی برمی‌گردد. در حال حاضر روش‌های زیادی برای انجام این کار وجود دارد. برای مثال، فناوری مورداستفاده گوگل به‌طور کامل با فناوری جیوژنگ فرق می‌کند. گوگل از کیوبیت‌های ابررسانای مبتنی بر فلز بهره می‌برد. آی‌بی‌ام هم همین روش را در پیش گرفته و سرمایه‌گذاری‌های زیادی را در این زمینه انجام داده است.

با این وجود، اگر بخواهید کیوبیت‌های ابررسانا را تحت کنترل نگه دارید، به دماهای فوق‌العاده پایین، حتی کمتر از دمای اعماق فضا، نیاز است. پس جای سوال ندارد که پشت سر گذاشتن این چالش تا چه اندازه در روند پیشرفت‌ها مانع ایجاد می‌کند. به‌علاوه، حساسیت فوق‌العاده زیاد کیوبیت‌ها به محیط پیرامون‌شان باعث می‌شود نتوانیم دستگاه‌های کوآنتومی را در مقیاس گسترده داشته باشیم.

سیستم جیوژنگ اما به جای استفاده از ذرات فلز به دستکاری فوتون‌ها می‌پردازد. این دستگاه به‌طور ویژه برای انجام عملیات GBS ساخته شده که شامل شبیه‌سازی و پیش‌بینی رفتار نامنظم فوتون‌هاست. عملیات مذکور از تزریق ذرات نور به شبکه‌ای از تقسیم‌کنندگان پرتو و آیینه‌ها شکل می‌گیرد که مسیرهای مختلفی را برای رسیدن به درگاه‌های خروجی در اختیار فوتون‌ها قرار می‌دهد.

ولی فوتون‌ها خصوصیات کوآنتومی عجیبی دارند که شرایط را پیچیده می‌کند: عملا و به‌طور مشخص هیچ راهی وجود ندارد که مسیر انتخابی آن‌ها را تعیین کنیم. همچنین، اگر دو فوتونِ یکسان دقیقا در یک زمان به تقسیم‌کننده پرتو برخورد کنند، کنار یکدیگر مانده و همان مسیری را که به‌صورت تصادفی انتخاب کرده‌اند طی می‌کنند.

تمام این‌ها باعث می‌شود کار کامپیوترهای کلاسیک برای تشخیص الگوهای رفتاری فوتون‌ها و پیش‌بینی پیکربندی خروجی آن‌ها بر اساس چگونگی ورود ذرات بسیار سخت شود. دشواری محاسبات نیز به‌شکل نمایی با افزایش تعداد فوتون‌ها بیشتر می‌شود، در نتیجه توسعه دستگاه GBS کار خیلی مشکلی خواهد بود.

کریستین سیلبرهورن، استاد کوآنتوم دانشگاه پادربورن آلمان، سال‌هاست که روی GBS کار می‌کند. او می‌گوید: «این طرح چالش‌های خاص خودش را دارد. توسعه مقیاس سیستم سخت است چون همه قطعات باید برای آزمایش کوآنتومی مهندسی شوند و هر قطعه باید به‌طور دقیقی با قطعات دیگر همکاری کند. به‌علاوه، چنین سیستمی به شناسایی و پردازش مجموعه‌های اطلاعاتی بسیار بزرگی نیاز دارد.»

محققان چینی جیوژنگ را با ۳۰۰ تقسیم‌کننده پرتو و ۷۵ آیینه ساخته و می‌گویند در طول آزمایشات خود توانسته‌اند تا ۷۶ فوتون را اندازه‌گیری کنند. این تعداد فوتون آن‌قدر زیاد است که انجام محاسبه مشابه برای کامپیوترهای کلاسیک را ناممکن کند.

حل معادله GBS کاربردهای محدودی دارد. در واقع جیوژنگ به جز اثبات برتری در حل یک عملیات خیلی خاص چیز زیادی از خود نشان نداده است. با این حال، ارزش این آزمایشات در آن‌جاست که می‌گوید کامپیوترهای کوآنتومی نوری هم می‌توانند به اندازه کامپیوترهای کوآنتومی مبتنی بر ماده کارآمد باشند. سیلبرهورن توضیح می‌دهد: «این آزمایش گامی مهم در حوزه شبیه‌سازی‌های کوآنتومیِ مبتنی بر سیستم‌های اپتیکال خطی است، و نشان می‌دهد که استفاده از فوتون‌ها می‌تواند چه پتانسیل‌هایی را در زمینه رایانش کوآنتومی مقیاس‌پذیر به ارمغان بیاورد.»

محققان به‌تازگی به‌خاطر پتانسیل‌هایی که ذرات نور، حتی در محیط‌های بدون کنترل، برای پایدار ماندن دارند به کامپیوترهای کوآنتومی فوتونی توجه کرده‌اند. برخلاف دستگاه‌هایی که با کیوبیت‌های ابررسانا کار می‌کنند، فوتون‌ها به دمای فوق سرد نیازمند نیستند و به‌لحاظ تئوری خیلی سریع می‌توانند افزایش مقیاس دهند.

ایان والمزلی، عضو هئیت آزمایش‌های فیزیکی کالج سلطنتی لندن، می‌گوید: «آزمایش نمونه‌برداری بوزون گروه USTC یک تور دو فرانس واقعی است و پتانسیل فوتون‌ها به‌عنوان یک پلتفرم فناوری کوآنتومی را نشان می‌دهد. این اتفاق گامی جدی در زمینه توسعه فناوری‌هایی است که توانمندی‌های فیزیک کوآنتوم را برای انجام عملیات‌های غیرقابل اجرا توسط فناوری‌های فعلی به کار می‌گیرند.»

از این رو، دستاورد جدید محققان دانشگاه علم و فناوری چین می‌تواند نیروی جدیدی را به صحنه رقابت در عرصه فناوری‌های کوآنتومی وارد کند. گوگل و آی‌بی‌ام تنها بازیگران سرمایه‌داری هستند که تاکنون نسبت به توسعه کامپیوترهای کوآنتومی ابراز علاقه کرده‌اند. علاوه بر این بازیگران خصوصی، نهادهای دولتی هم به توسعه فناوری‌های کوآنتومی توجه نشان داده‌اند. دولت چین یکی از دولت‌هایی است که سرمایه‌گذاری عظیمی در این حوزه انجام داده و جیوژنگ یکی از خروجی‌های آن است.