سریع‌تر از ابررایانه‌ها: کامپیوتر کوانتومی 76 کیوبیتی چین Jiuzhang
کامپیوتر کوانتومی 76 کیوبیتی چین Jiuzhang: عصری تازه در پردازش اطلاعات
در سال‌های اخیر، رقابت جهانی برای دستیابی به «برتری کوانتومی» به‌طرز چشمگیری شدت یافته است.
در این رقابت، چین با معرفی کامپیوتر کوانتومی Jiuzhang گامی عظیم برداشت: دستگاهی که در عرض فقط ۴ دقیقه مسئله‌ای را حل کرد که قدرتمندترین ابررایانه‌های کلاسیک برایش به میلیاردها سال زمان نیاز دارند.
اما Jiuzhang تنها یک کامپیوتر کوانتومی معمولی نیست؛ برخلاف دستگاه‌هایی که با تراشه‌ها و سیم‌ها ساخته می‌شوند، Jiuzhang از لیزر، منشور، آینه و آشکارسازهای فوتون تشکیل شده و بر پایه‌ی روش منحصربه‌فردی به نام Gaussian Boson Sampling (GBS) کار می‌کند.
1. Jiuzhang چیست؟ نگاهی به قلب فوتونی محاسبات کوانتومی
Jiuzhang دومین کامپیوتر کوانتومی ساخته‌شده توسط محققان چینی است (پس از نمونه ۵۳ کیوبیتی Sycamore گوگل). این دستگاه توسط تیمی از دانشگاه علم و صنعت چین (USTC) و به رهبری پروفسور پان جیان‌وی توسعه داده شده است.
ویژگی خاص Jiuzhang این است که برخلاف کامپیوترهای کوانتومی مبتنی بر کیوبیت‌های فوق‌رسانا، این سامانه یک پردازنده نوری (Photonic Quantum Computer) است و به جای استفاده از بیت‌های کوانتومی الکترونی، با فوتون‌ها کار می‌کند.
2. Gaussian Boson Sampling: قلب محاسبات Jiuzhang
روش Gaussian Boson Sampling (نمونه‌برداری بوزونی گاوسی) یکی از معدود مسائل شناخته‌شده در علم رایانش است که برای کامپیوترهای کلاسیک تقریباً غیرقابل حل است ولی برای سامانه‌های کوانتومی با نور، قابل اجرا محسوب می‌شود.
سازوکار آن چگونه است؟
- Jiuzhang از منبع نور لیزری پالسی استفاده می‌کند تا پالس‌هایی از فوتون‌ها تولید کند.
- این فوتون‌ها از میان شبکه‌ای پیچیده از منشورها، آینه‌ها و تقسیم‌کننده‌های پرتوی عبور داده می‌شوند.
- در انتها، آشکارسازهای فوتونی تعداد و الگوی فوتون‌ها را ثبت می‌کنند.
- تمام این سیستم برای محاسبه توزیع احتمالاتی ورود و خروج فوتون‌ها از یک سیستم چندحالته طراحی شده است.
چرا مهم است؟
زیرا محاسبه‌ی این توزیع برای ۷۶ فوتون در یک ماتریس ۱۰۰×۱۰۰ به‌صورت کلاسیک تقریباً غیرممکن است (زمان تخمینی: میلیاردها سال)، در حالی‌که Jiuzhang آن را در ۲۰۰ ثانیه انجام داد.
3. مقایسه Jiuzhang با ابررایانه‌های کلاسیک
ابررایانه‌های کلاسیک مانند Fugaku یا Summit، با ساختار پردازش ترتیبی و مبتنی بر بیت‌های دودویی، تنها قادرند مقدار محدودی از فوتون‌ها را در فرآیندهایی نظیر Gaussian Boson Sampling شبیه‌سازی کنند.
به‌عنوان مثال، این سامانه‌ها معمولاً تا سقف ۵ فوتون را می‌توانند پردازش کنند، آن هم با صرف منابع عظیم محاسباتی و زمان قابل توجه.
در مقابل، Jiuzhang به‌عنوان یک کامپیوتر کوانتومی فوتونی، نه‌تنها قادر است ۷۶ فوتون را به‌صورت همزمان مدیریت کند، بلکه این پردازش را نیز در مدت زمانی بسیار کوتاه (حدود ۴ دقیقه) به انجام می‌رساند.
این یعنی حل مسئله‌ای که برای یک ابررایانه کلاسیک میلیاردها سال طول می‌کشد، با Jiuzhang در کسری از دقیقه ممکن می‌شود.
همچنین تفاوت در نوع مسئله‌پذیری نیز قابل توجه است: در حالی‌که ابررایانه‌ها بیشتر برای محاسبات عددی، خطی و قابل پیش‌بینی بهینه‌سازی شده‌اند، Jiuzhang در مواجهه با مسائل کوانتومی، غیرخطی و توزیعی عملکردی بی‌سابقه از خود نشان داده است.
این مزایا Jiuzhang را به مصداق بارز «برتری کوانتومی» تبدیل می‌کند؛ مفهومی که به توانایی سامانه‌های کوانتومی در حل مسائلی اطلاق می‌شود که برای رایانه‌های کلاسیک غیرممکن یا غیرعملی‌اند.
4. چرا این پیشرفت اهمیت دارد؟
موفقیت Jiuzhang صرفاً یک دستاورد نمایشی نیست. این سامانه نشان می‌دهد که رایانش کوانتومی فوتونی می‌تواند:
- به‌طور عملی برای حل مسائل شبیه‌سازی کوانتومی به کار گرفته شود
- کوانتوم شیمی و طراحی دارو را متحول کند
- در زمینه الگوریتم‌های ترکیبیاتی و ریاضیاتی پیچیده عملکردی بی‌سابقه ارائه دهد
- پایه‌های ایجاد اینترنت کوانتومی آینده را بنا نهد
5. کاربردهای بالقوه Jiuzhang در آینده
شیمی کوانتومی
محاسبه برهم‌کنش بین مولکول‌ها، ساختارهای پیچیده و واکنش‌ها با دقتی بی‌نظیر برای طراحی دارو و مواد جدید.
رمزنگاری کوانتومی
استفاده از نور و فوتون در ارسال اطلاعات رمزنگاری‌شده غیرقابل شنود و توسعه‌ی شبکه‌های ارتباطی امن کوانتومی.
الگوریتم‌های ریاضی
حل مسائل NP-hard، ترکیبیاتی، و بهینه‌سازی‌هایی که رایانه‌های کلاسیک با رشد نمایی پیچیدگی مواجه‌اند.
اینترنت کوانتومی
پیش‌زمینه‌ای برای ساخت شبکه‌ای از کامپیوترهای کوانتومی که با استفاده از درهم‌تنیدگی فوتونی به هم متصل می‌شوند.
6. چالش‌ها و محدودیت‌ها
در کنار این موفقیت عظیم، Jiuzhang و رایانش نوری همچنان با چالش‌هایی روبه‌رو هستند:
- نرخ تولید فوتون ناکامل: هنوز تولید همزمان تعداد زیادی فوتون مستقل و ناب کار دشواری است.
- حساسیت به نویز و خطا: سامانه‌های نوری بسیار حساس‌اند و پایداری آن‌ها نیاز به تنظیمات دقیق دارد.
- عدم برنامه‌پذیری عمومی: Jiuzhang فعلاً برای حل GBS طراحی شده و کاربردهای عمومی‌تر نیاز به توسعه‌های بیشتر دارد.
نتیجه‌گیری: گامی انقلابی، راهی طولانی
کامپیوتر کوانتومی Jiuzhang با اثبات قدرت Gaussian Boson Sampling، مرزهای رایانش سنتی را پشت سر گذاشته است.
گرچه هنوز فاصله زیادی تا کامپیوترهای کوانتومی عمومی و در دسترس وجود دارد، اما این گام، یکی از مهم‌ترین دستاوردهای مسیر آینده رایانش است. آینده‌ای که در آن، سرعت، دقت و امنیت اطلاعات به شیوه‌ای کاملاً جدید تعریف می‌شود.
