پژوهشگر‌ان گوگل به برتری کوانتومی دست یافتند، خبری که ظاهرا نباید منتشر می‏شد

سایت بدون -بیستم سپتامبر نشریه فایننشیال تایمز گزارش کرد در یک مقاله علمی که برای مدتی در یکی از وب‏سایت‏های ناسا منتشر و سپس به سرعت برداشته شد، ادعا شد گوگل موفق به ساخت یک کامپیوتر کوانتومی شده که به برتری کوانتومی دست یافته است. این هدفی است که پژوهشگران کوانتومی این شرکت به سرپرستی جان مارتینیس، فیزیک‏دان دانشگاه کالیفرنیا، سال‏هاست در پی آن هستند.

کیوان‭ ‬فیض ‏اللهی: مقاله‏ای که اخیرا به بیرون درز کرده حکایت از آن دارد که شرکت گوگل ظاهرا توانسته به نقطه عطفی موسوم به «برتری کوانتومی» (Quantum Supremacy) دست یابد. این اصطلاح به شرایطی اشاره دارد که در آن یک کامپیوتر کوانتومی بتواند محاسبه‏ای را انجام دهد که حتا قوی‏ترین ابرکامپیوترهای جهان نیز از انجامش عاجز هستند. این هدف به نوعی جام مقدس پژوهشگران بوده است و دستیابی به آن عملا می‏تواند به معنی سرآغاز دوران نوین محاسبات کوانتومی باشد. البته این هدف تا حد زیادی سمبلیک نیز هست: محاسبه مورد اشاره در ماجرای اخیر هیچ هدف کاربردی خاصی ندارد و عامدانه طوری طراحی شده است که برای کامپیوترهای کلاسیک دشوار باشد، کامپیوترهایی که محاسبات‏شان ریشه در فیزیک کوانتومی ندارد.
بیستم سپتامبر نشریه فایننشیال تایمز گزارش کرد در یک مقاله علمی که برای مدتی در یکی از وب‏سایت‏های ناسا منتشر و سپس به سرعت برداشته شد، ادعا شد گوگل موفق به ساخت یک کامپیوتر کوانتومی شده که به برتری کوانتومی دست یافته است. این هدفی است که پژوهشگران کوانتومی این شرکت به سرپرستی جان مارتینیس (J.Martinis)، فیزیک‏دان دانشگاه کالیفرنیا، سال‏هاست در پی آن هستند. نسخه پیش‏نویسی از این مقاله که به صورت ناشناس در وب‏سایت Pastebin منتشر شده اکنون در میان دانشمندان و توئیتر دست به دست می‏شود. گوگل هنوز واکنشی به این ماجرا نشان نداده و سخنگوی این شرکت نیز از پاسخ دادن به پرسش خبرنگاران طفره رفته است.

برتری یا مزیت
بر‌اساس نسخه‏ای از این مقاله که در وب‏سایت Pastebin منتشر شده، گوگل توانسته یک کامپیوتر کوانتومی موسوم به «سایکامور» (Sycamore) با ۵۴ کیوبیت (بیت‏های کوانتومی) بسازد که ۵۳ تا از آنها کار می‏کنند. ظاهرا پژوهشگران گوگل با استفاده از این کامپیوتر مجموعه عملیاتی را ظرف ۲۰۰ ثانیه انجام داده‏اند که اجرای آنها برای یک ابرکامپیوتر چیزی حدود ۱۰ هزار سال طول می‏کشد.

این محاسبات شامل اجرای عملیات‏های تصادفی روی کیبوبیت‏ها و خواندن نتایج بوده است. پژوهشگران پس از انجام چندین و چند‌باره این محاسبات به مجموعه‏ای تقریبا تصادفی از اعداد رسیدند که بازتولید آن توسط یک کامپیوتر کلاسیک بی‏نهایت دشوار است. با وجود اینکه «برتری کوانتومی» عملا کاربرد مشخصی ندارد اما همواره به‌عنوان یک سدشکنی بزرگ در مسیر تلاش برای دستیابی به کامپیوترهای کوانتومی کاربردی تلقی شده است، کامپیوترهایی که در‌نهایت می‏‏توانند از پس محاسبات سودمندی برآیند که انجام‏شان برای کامپیوترهای کلاسیک ناممکن است. در بخشی از پیش‏نویس منتشرشده مقاله نوشته شده است: «این افزایش چشمگیر سرعت نسبت به تمام الگوریتم‏های کلاسیک شناخته‏شده، به معنی تحقق عملی برتری کوانتومی در یک وظیفه محاسباتی است و نوید ظهور پارادایم محاسباتی جدیدی را می‏دهد که به‌شدت چشم‏انتظارش بوده‏ایم.»
کامپیوترهای کوانتومی شاید روزی بتوانند تکنیک‏های رمزگذاری مورد استفاده برای ایمن کردن برخی نقل و انتقال‏ها از‌جمله تراکنش‏های مالی را که توسط کامپیوترها انجام می‏شوند، شکست دهند. اما برای دستیابی به چنین پیشرفتی این ماشین‏ها باید بتوانند با کیوبیت‏های بسیار بیشتری کار کنند و شاید مهم‏تر از آن باید به روشی برای اصلاح خطاها دست یابند که در واقع نفرین ناگزیر محاسبات کوانتومی است. جاناتان اپنهایم (J.Oppenheim)، فیزیک‏دان دانشگاه کالج لندن، در حساب توئیترش در‌باره این ماجرا نوشت: «با اینکه این یک نقطه عطف است اما از یک کامپیوتر کوانتومی که بتواند چیزهای مفیدی را محاسبه کند، فاصله بسیار زیادی دارد.»
در صورت درستی خبرهای اخیر گوگل دستیابی به چنین نقطه عطفی اساسا چقدر مهم است؟ پاسخ سرراست مساله این است: خیلی. یک هفته پیش از انتشار خبرهای مقاله جدید گوگل در کنفرانسی که توسط نشریه MIT Technology Review در‌باره محاسبات کوانتومی برگزار شد، ویل اولیور (W.Oliver)، استاد دانشگاه موسسه فناوری ماساچوست (ام‏آی‏تی) و متخصص فناوری‏های کوانتومی، این نقطه عطف محاسباتی را به نخستین پرواز هواپیمای کیتی هاوک برادران رایت در تاریخ هوانوردی تشبیه کرد. او گفت دستیابی به چنین چیزی باعث افزایش انگیزه در این حوزه پژوهشی خواهد شد و به ماشین‏های کوانتومی کمک می‏کند تا بسیار سریع‏تر از آنچه می‏پنداریم به نویدهای‏شان تحقق ببخشند. توان محاسباتی عظیم این ماشین‏ها سرانجام می‏تواند به پژوهشگران و شرکت‏ها کمک کند داروها و مواد جدیدی کشف کنند و نوعی از هوش مصنوعی را بسازند که در مقایسه با شکل کنونی‏اش انگار به توربوشارژر مجهز هستند.
اما بسیاری از پژوهشگران از جمله اپنهایم بر این باورند که «برتری کوانتومی» اساسا معیار مفیدی نیست. به گفته داریو گیل (D.Gil)، مدیر پژوهش شرکت آی‏بی‏ام، «‌صرفا یک آزمون آزمایشگاهی که اساسا برای اجرای یک رویه نمونه‏برداری کوانتومی بسیار خاص بی‏هیچ کاربرد عملی مشخصی طراحی شده به این معنی نخواهد بود کامپیوترهای کوانتومی برتر از کامپیوترهای کلاسیک هستند.» آی‏بی‏ام نیز مدت‏هاست مسیر خودش را برای توسعه کامپیوترهای کوانتومی دنبال می‏کند و پژوهشگران این شرکت ترجیح می‏دهند به جای برتری کوانتومی درباره «مزیت کوانتومی» صحبت کنند. تعریف آنها از این عبارت نقطه‏ای است که در آن «کاربردهای کوانتومی منجر به یک مزیت عملی و چشمگیر ورای توان کامپیوترهای کلاسیک شود.» نتیجه جدید که ظاهرا پژوهشگران گوگل به آن دست یافته‏اند، به‌هیچ‏وجه چنین استانداردی را تامین نمی‏کند. به گفته گیل «در واقع کامپیوترهای کوانتومی هرگز برتری مطلق‌شان را بر همتایان کلاسیک خود تحمیل نخواهند کرد، بلکه در عوض در قالب یک کنسرت مشترک با یکدیگر همنوازی می‏کنند. هریک از آنها قدرت و توانایی مخصوص به خودشان را دارند و برای بسیاری از مسائل، کامپیوترهای کلاسیک همچنان بهترین ابزار موجود خواهند بود.»

همه‏چیز در محاسبه خلاصه نمی‏شود
برای اینکه کامپیوترهای کوانتومی به جریان اصلی ماشین‏های محاسباتی تبدیل شوند راه زیادی در پیش است. این ماشین‏ها به‌شدت مستعد خطا هستند چراکه کمترین تغییری در دما یا ارتعاشی کوچک می‏تواند حالت کوانتومی بسیار ظریف و شکننده کیوبیت‏ها را از بین ببرد. مکافات محاسبات کوانتومی موسوم به «ناهمدوسی» زمانی گریبان‏گیر می‏شود که عوامل محیطی حالت کوانتومی را درهم می‏شکنند. درهم‏تنیدگی با محیط بیرونی یا گرما از جمله این عوامل هستند که اصطلاحا به آنها «نویز» گفته می‏شود. اندازه‏گیری مقدار یک کیوبیت باعث فروریختن تابع موج می‏شود و کیوبیت را باید دوباره از نو برپا کرد، چیزی مثل زدن دکمه clear در ماشین حساب.
به خاطر درک ناقص ما از تمام این سازوکارهاست که با وجود عمیق‏تر شدن علم در دنیای کوانتومی هنوز محاسبات کوانتومی در مقیاس بزرگ همچنان از دسترس ما خارج است. علم ریشه در نظریه دارد که باید از طریق آزمایش مورد مشاهده قرار گیرد، آزمایش‏ها و مشاهدات نیز منجر به اصلاح نظریه می‏شود و در ادامه آزمایش‏های بیشتری تولید می‏کند. وقتی نتایج این فرآیند یکپارچه و منسجم شد، کاربردهای عملی در قالب فناوری ظهور می‏کند. پژوهشگران اکنون روی ماشین‏هایی کار می‏کنند که ساخت، مدیریت و افزایش مقیاس‏شان آسان‏تر است و برخی از این کامپیوترها نیز از طریق سرویس‏های «محاسبات ابری» در دسترس هستند. اما بی‏شک هنوز با کامپیوترهای کوانتومی که بتوانند طیف وسیعی از مسائل را حل کنند فاصله زیادی داریم.
علت اینکه رسانه‏های عمومی بیشترین توجه‏شان را معطوف محاسبات کوانتومی کرده‏اند، ادعاهای گزافی است که درباره پتانسیل‏های آن مطرح شده است: سیستم‏های کنونی در زمینه امنیت سایبری را از رده خارج می‏کند؛ حجم عظیمی از داده‏ها را در یک چشم برهم زدن پردازش می‏کند؛ هوش مصنوعی را به جایی می‏رساند که از هوش انسان پیشی بگیرد. شاید برخی از آنها به حقیقت بپیوندد و برخی هم نه. اما تنها با تعهد راسخ به طیف گسترده‏ای از پژوهش‏ها در زمینه علوم کوانتومی می‏توان نتیجه کار را رقم زد. به‌هر‌حال این پژوهش‏ها منجر به بینش‏های غیرمنتظره‏ای خواهد شد، راه‏حل‏های جدید برای چالش‏های قدیمی ارائه می‏دهد و در نهایت به نفع توان رقابتی اقتصاد ملی، امنیت ملی و زندگی روزمره همه ما تمام می‏شود.
Sciencenews, Sep. ۲۲, ۲۰۱۹
MIT Technology Review, Sep. ۲۱, ۲۰۱۹