نعره غول کوانتومی

پرده اول: انتشار یک خبر مهم

در روزهای انتهایی شهریور ماه، گزارشی با موضوع برتری کوانتومی گوگل در وب‌سایت فایننشال‌تایمز منتشر شد که غوغایی در محافل علمی به راه انداخت. در این گزارش این موضوع مطرح شده بود که پیش‌نویس مقاله‌ای مرتبط با رایانش کوانتومی توسط گوگل به‌صورت موقت در وب‌سایت ناسا منتشر شده است. موضوع مورد ادعای محققان در مقاله مذکور، ادعایی در خصوص دستیابی به نوعی کامپیوتر کوانتومی بود که توانسته است قوی‌ترین ابرکامپیوتر موجود در جهان یعنی سامیت (Summit) شرکت IBM را شکست دهد.
در واقع، برتری کوانتومی به موقعیتی گفته می‌شود که یک کامپیوتر کوانتومی در وظیفه‌ای مشخص، عملکردی را از خود نشان دهد که برترین کامپیوترهای کلاسیک موجود توان نزدیک شدن به آن میزان عملکرد را نیز نداشته باشند. طبق گزارش منتشرشده، کامپیوتر کوانتومی ۵۳ کیوبیتی گوگل یک وظیفه پردازشی را در سه دقیقه و ۲۰ ثانیه انجام داد؛ در حالی که ابرکامپیوتر سامیت برای انجام دادن وظیفه مذکور به ۱۰ هزار سال زمان نیاز داشت.
پیش از این برآوردها خبر از دستیابی به برتری کوانتومی برای سال ۲۰۱۷ را می‌دادند. اما گوگل به دلیل ناتوانی در کنترل قدرت پردازشی با دقت کافی، نتوانست با کامپیوتر ۷۲ کیوبیتی موسوم به Bristlecone خود به جایی برسد.
آنچه در این میان همه را مشکوک کرده است این است که گوگل هنوز هیچ اظهار نظر رسمی در مورد کشف مورد ادعا نکرده است. همچنین مقاله‌ای که در مورد این ادعا منتشر شده بود در ابتدا بر روی سایت ناسا نیز قابل رویت بود، اما پس از چند ساعت حذف شد [۱].
ناسا همکاری بسیار نزدیکی با گوگل در زمینه رایانه‌های کوانتومی دارد و امیدوار است که پیشرفت رایانه‌های کوانتومی و استفاده از توان پردازشی خیره‌کننده آنها بتواند کمک شایان توجهی به ناسا در برنامه‌ریزی اکتشافات فضایی، پیدا کردن سیاره‌های فراخورشیدی جدید و … بکند.

پرده دوم: بیم‌ها و تردیدها

نخستین بار در سال ۲۰۱۱ جان پرسکیل، استاد دانشگاه کلتک، در یکی از سخنرانی‌های خود عبارت برتری کوانتومی را به دنیای علم معرفی کرد. غول‌های فناوری همچون گوگل، IBM، اینتل، مایکروسافت و استارتاپ‌های متعدد در رقابتی تنگاتنگ و با سرمایه‌گذاری‌های عظیم در حوزه کوانتوم، به دنبال دستیابی به مفهوم برتری کوانتومی بوده‌اند.
اما پرسکیل درباره فرایند تحقیق گوگل می‌گوید مسئله آزمایش‌شده به‌دقت و صرفا برای اثبات برتری کوانتومی انتخاب شده است. این مساله نمونه‌سازی خروجی تولیدکننده عدد تصادفی کوانتومی بود و پردازنده کوانتومی موسوم به Sycamore مجهز به ۵۳ کیوبیت، چند خوشه سرور گوگل و ابرکامپیوتر سامیت (Summit) در آزمایشگاه Oak Ridge به این رقابت دعوت شدند. سامیت از زمان شروع فعالیت در سال گذشته، به‌عنوان سریع‌ترین ابرکامپیوتر جهان شناخته می‌شود.
نتیجه چه بود؟ در حالی که کامپیوترهای سنتی تنها موفق به شروع حل مساله شدند و حل کامل آن برای ابرکامپیوتر سامیت ۱۰ هزار سال طول می‌کشید، پردازنده کوانتومی سیکامور گوگل مسئله را در ۲۰۰ ثانیه حل کرد.
حال پرسکیل معتقد است شرایط این رقابت ناعادلانه بوده است و گوگل مسئله را به مناسب‌ترین شکل ممکن برای حل توسط یک کامیپیوتر کوانتومی انتخاب کرده است. هرچند که متن مقاله گوگل نیز به این مساله اذعان دارد که برای درک توانایی‌های نهایی رایانش کوانتومی به سالها تحقیق و توسعه نیاز است. گویا آنچه در حقیقت اتفاق افتاده است این است که گوگل در فرایند آزمایش اخیر خود تداخل کیوبیت (Crosstalk) را کاهش داده است که درنتیجه، نرخ خطای کامپیوتر کوانتومی خود را در مقایسه با رقبا به میزان چشمگیری کاهش داده است. هرچند که همین اتفاق نیز صرف نظر از کاربردی بودن یا نبودن دستاورد، قدم رو به جلوی مهمی در رایانش کوانتومی محسوب می‌شود.
از طرفی یکی از بزرگترین نگرانی‌های ایجاد شده پس از اعلام این خبر، زیر سوال رفتن حاشیه امنیت رمز ارزها است. چنین کامپیوتری می‌تواند در مدت بسیار کوتاهی کل بیت‌کوین‌های باقیمانده را استخراج کند. اما همانطور که گفته شد این کامپیوتر تنها در محدوده خاصی قابلیت اجرایی دارد و هنوز توانایی‌های آن در بسیاری از زمینه‌ها همچون رمزگشایی و استخراج رمز ارزها محل شک و تردید است. با این وجود جالب است بدانید که به فاصله ۱۵ روز پس از زمان اعلام این خبر، ارزش هر بیت‌کوین با بیشتر از ۲۰٪ کاهش از حدود ۱۰هزار دلار به کمتر از ۸ هزار دلار رسیده است.

پرده سوم: چشم به راه آینده

آنچه در این میان مغفول مانده است، چرخه همیشه تکرار شده در ظهور و فراگیر شدن یک تکنولوژی تازه است. در واقع همانقدر که استفاده از عبارت «برتری کوانتومی» در دستاورد اخیر گوگل اغراق‌آمیز به نظر می‌آید و در میان عامه مردم انتظارهای غیر واقعی از کامپیوترهای کوانتومی ایجاد می‌کند، هیچ انگاشتن دستاورد بزرگ گوگل نیز بیش از حد سختگیرانه است و چشم بر روی پتانسیل‌های این پیشرفت تاریخی می‌بندد.
به صورت کلی هر تکنولوژی نوظهوری در روند بلوغ خود چند مرحله را می‌گذراند: اولین دستاورد، بهبود فرآیندها، ورود به بازار، کاهش قیمت و در نهایت مقرون به صرفه شدن. برای مثال اولین توالی‌یابی دی‌ان‌ای (DNA sequencing) در سال ۲۰۰۷ با هزینه ۱۰ میلیون دلار انجام شد، سپس در سال ۲۰۱۷ با ۷۷ هزار برابر کاهش با هزینه ۱۳۰ دلار انجام شد و انتظار می‌رود در حدود سال ۲۰۲۱ به قیمتی در حدود ۳ سنت برسد (یعنی کمتر از هزینه خالی کردن فلش‌تانک سرویس بهداشتی خانه‌تان).
از طرفی دنیای کوانتوم محل انقلاب‌های موعود بسیاری است و هرگونه دستاوردی در هر کدام از این حوزه‌ها خبری خوش برای سایر حوزه‌ها و امیدی برای دستیابی به آنهاست. برای مثال هرگونه گشایشی در حوزه درهم‌تنیدگی کوانتومی مانند آنچه اخیرا در تحقیقاتی دیگراعلام شد[۲] می‌تواند دریچه‌های جدیدی برای سریع‌ترین و امن‌ترین روش انتقال اطلاعات و ایجاد اینترنتی در مقیاس کیهانی برای ما ایجاد کند. دستاورد اخیر گوگل نیز قطعا شروعی در این راه خواهد بود که با وارد شدن بازیگران جدید به این حوزه، می‌توان انتظار افزایش کارایی، بهبود تکنولوژی و کاهش قیمت تمام شده برای آن را داشت.
دست آخر اینکه اگرچه شاید استفاده از لفظ برتری کوانتومی برای آنچه گوگل به آن دست یافته است مقداری سخت باشد، اما بدون شک این دستاوردی تاریخی و نقطه عطفی در تاریخ پردازش رایانه‌ای و بلوغ رایانه‌های کوانتومی است. ما برای اولین بار موفق به کنترل توان پردازش یک کامپیوتر کوانتومی با نرخ خطایی قابل قبول در حوزه‌ای مشخص (هرچند اختصاصی) شده‌ایم. از امروز تکرار این اتفاق در سایر حوزه‌ها و رسیدن به هر پیشرفت و کارایی تازه‌ای برای رایانه‌های کوانتومی در حوزه‌های متفاوت، زلزله‌ای در آن حوزه‌ها به راه خواهد انداخت. چه این کارایی تازه در حوزه شبیه‌سازی‌های شیمیایی با مصارف دارویی باشد و چه در حوزه رمز ارزها یا شبیه‌سازی الگوهای آب و هوا یا یادگیری ماشین و هوش مصنوعی. آنچه اتفاق افتاد شاید به تنهایی انقلابی در دنیای پردازش و تحولی در جامعه علمی نباشد، اما قطعا یک نقطه عطف و شروعی بر شکل‌گیری یک انقلاب است. جریانی که شاید در نهایت به انقلاب تکینگی فناوری (Technological Singularity) منتهی شود و یکی از تاثیرگذارترین بازیگران این انقلاب باشد. به نظر می‌رسد هنوز غول دنیای کوانتومی را ندیده‌ایم، اما نعره آن به خوبی به گوش می‌رسد.

پی‌نوشت:

۱- حدودا ۱۵ روز پس از نگارش این مطلب مقاله دستیابی گوگل به کوانتوم سوپرماسی (quantum supremacy) رسما در سایت نیچر منتشر شد.
۲- لطفا برای کسب اطلاعات بیشتر در این مورد به شماره ۱۳۵ پادکست رادیو بادیو مراجعه کنید.