معرفی تراشه جدید پردازش کوانتومی گوگل Willow

گوگل به تازگی جدیدترین تراشه کوانتومی خود به نام «ویلو» را رونمایی کرده است، که این غول فناوری ادعا می‌کند محاسباتی را در پنج دقیقه انجام می‌دهد که سریع‌ترین ابررایانه‌های جهان برای انجام آن به ۱۰ سپتیلیون سال زمان نیاز دارند. برای مقایسه، برای مقایسه کافیست بگوییم که عمر جهان حتی به ۱۴ میلیارد سال نمی‌رسد.

رایانه‌های کوانتومی محاسبات خود را به روشی کاملا متفاوت از ابررایانه‌های کلاسیک انجام می‌دهند. تحقیقاتی که امروز در نشریه Nature منتشر شده، فرایند کاهش خطا در پردازنده «ویلو» و عملکرد فوق‌العاده این سیستم را شرح داده است. تیم پژوهشی پشت طراحی و توسعه این تراشه نوشته است: «اگر این سیستم مقیاس یابد، می‌تواند نیازهای عملیاتی الگوریتم‌های کوانتومی بزرگ‌مقیاس و مقاوم در برابر خطا را برآورده کند.»

دستگاه‌های کوانتومی به طرز شگفت انگیزی حساس هستند؛ برای انجام محاسبات دقیق خود باید در حالت کوانتومی باقی بمانند، که معمولاً نیازمند محیط آزمایشگاهی با دمای نزدیک به صفر مطلق است. در چنین سرمای شدیدی، سیستم به حالت ابررسانایی می‌رسد و دستگاه می‌تواند عملیات‌هایی را فراتر از محدودیت‌های فیزیک کلاسیک انجام دهد. 

چالش اصلی — یا هدف، بسته به دیدگاه شما — این است که رایانه‌های کوانتومی هنوز قادر به حل مسائلی نیستند که فراتر از توان رایانه‌های کلاسیک باشند. این همان جام مقدس در حوزه محاسبات کوانتومی است: دستگاهی که کاربردهای تجاری داشته باشد به وجود نیامده چون هنوز مشکلات عمده بشر توسط رایانه های کلاسیک قابل حل هستند .

برخلاف بیت‌های معمولی در رایانه‌های کلاسیک که مقدار «۰» یا «۱» را نمایش می‌دهند، بیت‌های کوانتومی (یا کیوبیت‌ها) می‌توانند به طور همزمان «۰» و «۱» را نشان دهند. به این ترتیب، رایانه می‌تواند با سرعت بیشتری نسبت به دستگاه‌های سنتی محاسبات انجام دهد. با این حال، اگر در سیستم کوانتومی خطاهای زیادی رخ دهد، عملیات از هم می‌پاشد.

یکی از جنبه‌های مهم پردازنده ویلو این است که هرچه تعداد کیوبیت‌هایی که ویلو استفاده می‌کند بیشتر باشد، تعداد خطاهای سیستم کمتر است. خطاها می‌توانند باعث فروپاشی عملیات کوانتومی شوند، اما به جای اینکه با افزایش اندازه رایانه، خطاها نیز افزایش یابند، این خطاها کاهش می‌یابند چون تعداد پردازشگرها جهت تست و بررسی افزایش پیدا می کند.

در بیانیه مطبوعاتی که همراه با این اعلامیه منتشر شد، هارتموت نوین، بنیان‌گذار و رهبر تیم هوش مصنوعی کوانتومی گوگل، نوشت: «ما آرایه‌هایی با ابعاد بزرگ‌تر از کیوبیت‌های فیزیکی را آزمایش کردیم، از یک شبکه ۳×۳ از کیوبیت‌های کدگذاری شده شروع کردیم، سپس به یک شبکه ۵×۵ و بعد به یک شبکه ۷×۷ گسترش دادیم — و هر بار، با استفاده از جدیدترین پیشرفت‌ها در تصحیح خطای کوانتومی، توانستیم نرخ خطا را به نصف کاهش دهیم.»

نوین نوشت: «به عبارت دیگر، ما به یک کاهش نمایی در نرخ خطا دست یافتیم.»

این کاهش خطا که به نام «زیر آستانه» شناخته می‌شود، لحظه‌ای تاریخی در مسیر ساخت رایانه‌های کوانتومی آینده با خطاهای کمتر است. بر اساس بیانیه گوگل، سیستم ویلو همچنین پیشرفت‌های معناداری در تصحیح خطای بلادرنگ نشان داده است، بدین معنا که سیستم خطای خودش را متوجه می شود و در لحظه اقدام به تصحیح خود می کند .

عملکرد ویلو در معیار نمونه‌گیری از مدار تصادفی (RCS) به‌گونه‌ای است که واقعا تفاوت آن را با پرازشگرهای کلاسیک به نمایش می گذارد، در حالیکه ویلو می تواند کل پردازش را در 5 دقیقه انجام دهد  ، ابررایانه فرانتیر — سریع‌ترین ابررایانه کلاسیک جهان تا ماه گذشته — به ۱۰ سپتیلیون سال زمان برای انجام همان پردازش زمان نیاز دارد، که بسیار بیشتر از عمر جهان است. برای مقایسه، در سال ۲۰۱۹، رایانه کوانتومی سایکامور گوگل مسئله‌ای را در ۲۰۰ ثانیه حل کرد که انجام آن توسط یک ابررایانه حدود ۱۰,۰۰۰ سال زمان می‌برد، نقطه عطفی که به گوگل اجازه داد اعلام کند به «برتری کوانتومی» دست یافته است.

تیم گوگل اکنون به سومین مرحله از نقشه راه شش‌مرحله‌ای خود برای دستیابی به رایانه کوانتومی با تصحیح کامل خطا نزدیک می‌شود. هارتموت نوین معتقد است که کاربردهای تجاری ممکن است در بازه‌ای بین سه تا پنج سال آینده در دسترس قرار گیرند، نه چند دهه دیگر. همان‌طور که نمی‌توان مقدار دقیق یک کیوبیت را به طور قطعی تعیین کرد، پیش‌بینی آینده نیز دشوار است—اما نتیجه به‌دست‌آمده از ویلو نشان می‌دهد که پیشرفت واقعی در حال انجام است.

در تصویر زیر رایانه کوانتومی که ارتش ایران رونمایی کرد را مشاهده می کنید :) 

موفق باشید.