ویلو، تراشه‌ کوانتومی گوگل؛ دریچه‌ای به جهان‌های موازی

آزمایشگاه محاسبات کوانتومی گوگل به نقطه‌‌عطف بزرگی دست یافته است. غول دنیای فناوری در تاریخ ۱۹ آذر ۱۴۰۳ اعلام کرد که تراشه‌ی جدید کوانتومی با نام ویلو (Willow) توانست یک چالش محاسباتی را در کمتر از پنج دقیقه انجام دهد؛ چالشی که به‌گفته‌ی گوگل حتی سریع‌ترین ابرکامپیوترهای دنیا برای حل آن به بیش‌از ۱۰ سپتیلیون سال نیاز دارند؛ یعنی، ۱۰,۰۰۰,۰۰۰,۰۰۰,۰۰۰,۰۰۰,۰۰۰,۰۰۰,۰۰۰ سال محاسبه با ابرکامپیوتر دربرابر ۵ دقیقه محاسبه با ویلو.

دستاورد ویلو پیشرفت خیره‌کننده‌‌ای نسبت‌به رکورد سال ۲۰۱۹ است؛ زمانی که سیستم کوانتومی «سیکامور» گوگل توانست معیار «نمونه‌برداری تصادفی از مدار» (RCS) را بگذراند. در آن زمان، گوگل گزارش داد که دانشمندان از این تراشه برای حل مسئله‌ای استفاده کردند که یک ابرکامپیوتر کلاسیک برای حل آن به ۱۰,۰۰۰ سال زمان نیاز داشت؛ البته آن موقع، IBM ادعای گوگل را زیر سوال برد.

اما این‌بار، سوندار پیچای، مدیرعامل گوگل با اقتدار در شبکه‌ی اجتماعی ایکس از حل معیار «نمونه‌برداری تصادفی از مدار» توسط کامپیوتر کوانتومی گوگل بدین صورت رونمایی کرد:

ویلو تراشه‌ی پیشرفته‌ی جدید ما در زمینه‌ی رایانش کوانتومی با پیشرفتی بزرگ است که می‌تواند خطاها را به‌صورت نمایی کاهش دهد، به‌ویژه وقتی تعداد بیشتری از کیوبیت‌ها به کار گرفته شوند. این دستاورد، یکی از چالش‌های ۳۰ ساله‌ی این حوزه را حل کرده است. در آزمایش‌های معیار، «ویلو» توانست یک محاسبه‌ی استاندارد را در کمتر از ۵ دقیقه حل کند؛ در حالی که یک ابرکامپیوتر پیشرفته برای انجام همین محاسبه به زمانی بیش از ۱۰ به توان ۲۵ سال نیاز دارد؛ مدت زمانی که بسیار فراتر از عمر فعلی جهان است!

– سوندار پیچای، گوگل

در کامپیوترهای کوانتومی، مدارهای منطقی به‌جای بیت (Bit) که نمایانگر ۰ یا ۱ هستند، از کیوبیت (Qubit) استفاده می‌کنند. برخلاف بیت که همیشه مقادیر مشخصی (کوانتیزه شده) شامل ۰ و ۱ را دارد، کیوبیت می‌تواند به‌طور همزمان در حالت‌های متعددی وجود داشته باشد: هر ترکیبی از صفر و یک.

تراشه‌ی ویلو پیشرفتی چشمگیر در حوزه‌ی سخت‌افزار محاسبات کوانتومی محسوب می‌شود که عملکردی خیره‌کننده‌‌ای را به نمایش می‌گذارد. این تراشه از کیوبیت‌های ترانسمون (Transmon Qubits) استفاده می‌کند که برای کاهش حساسیت به نویز شار و بار، براساس مدارهای الکتریکی ابررسانا طراحی شده‌اند و از ترکیب یک اتصال جوزفسون (Josephson Junction) و یک خازن تشکیل می‌شوند. در نتیجه، از پایداری و زمان انسجام بالاتری نسبت‌به نسل‌های پیشین کیوبیت‌های ابررسانا برخوردارند.

هارت‌موت نیوِن (Hartmut Neven)، معاون واحد مهندسی گوگل و بنیان‌گذار آزمایشگاه هوش مصنوعی کوانتوم گوگل، با توضیح در مورد تراشه‌ی ویلو، این دستاورد را گامی بزرگ به سمت کاربردهای تجاری پردازش کوانتومی معرفی کرد؛ هدفی که او و تیمش از زمان تأسیس بخش هوش مصنوعی کوانتومی گوگل در سال ۲۰۱۲ به دنبال آن بوده‌اند.

همان‌طور که پس از اعلام اولین محاسبات فراتر از کلاسیک در سال ۲۰۱۹ شاهد بودیم، انتظار می‌رود که ابرکامپیوترهای کلاسیک همچنان در این زمینه پیشرفت کنند؛ اما شکاف رو به رشد نشان می‌دهد که پردازنده‌های کوانتومی با سرعت نمایی دو برابر از کامپیوترهای کلاسیک پیش می‌روند و با توسعه‌ی تعداد کیوبیت‌ها، به عملکرد بسیار برتر خود ادامه خواهند داد.

ویلو در آزمایشگاه جدید گوگل در سانتاباربارا توسعه یافت. به گفته‌ی این شرکت، آزمایشگاه جدید به‌عنوان یکی از معدود مراکزی در دنیا، از ابتدا و به طور ویژه برای هدف ساخت پردازنده‌های کوانتومی طراحی و احداث شد. از دیدگاه طراحان ویلو، مهندسی سیستم هنگام طراحی و ساخت تراشه‌های کوانتومی نقشی کلیدی دارد،‌ زیرا تمام اجزای تراشه، مانند دروازه‌های تک کیوبیتی و دو‌ کیوبیتی، تنظیم و خوانش کیوبیت‌ها، باید به صورت همزمان به خوبی طراحی و یکپارچه‌سازی شوند.

نیوِن همچنین توضیح داد که نتایج گزارش‌شده شامل چندین نوآوری علمی دیگر نیز هستند. او گفت: «این یکی از نخستین نمونه‌های قانع‌کننده از اصلاح خطای بلادرنگ در یک سیستم کوانتومی ابررساناست. این امر برای هر محاسبه‌ی مفیدی حیاتی است، زیرا اگر نتوانید خطاها را به اندازه‌ی کافی سریع اصلاح کنید، نتیجه‌ی محاسبات قبل از حاصل‌شدن تخریب می‌شوند.»

علاوه‌بر عملکرد چشمگیر، پژوهشگران راهی برای کاهش میزان خطا پیدا کرده‌اند که گوگل آن را «یکی از بزرگ‌ترین چالش‌ها در محاسبات کوانتومی» توصیف می‌کند.

پژوهشگران گوگل با افزودن تعداد بیشتری کیوبیت به مدار کوانتومی موفق شدند خطاها را در لحظه‌ی ایجاد، اصلاح کنند. به همین منظور شبکه‌های بزرگ‌تری از کیوبیت‌های فیزیکی را آزمایش کردند. برای شروع، آزمایش‌ها از یک شبکه‌ی ۳×۳ کیوبیتی رمزگذاری‌شده شروع شد. با افزایش مقاومت شبکه و استفاده‌ی درست از کیوبیت‌های اضافی، مدار توسعه داده شد تا به شبکه‌های ۵×۵ و سپس ۷×۷ رسیدند.

شبکه‌های بزرگ‌تر در عین داشتن مزیت‌هایی، با برخی پیچیدگی‌های خاص نیز همراه هستند؛ زیرا بزرگ‌تر کردن شبکه، فرصت‌های بیشتری برای بروز خطا به وجود می‌آورد. اگر نرخ خطای کیوبیت‌های فیزیکی بیش از حد بالا باشد، خطاهای اضافی به‌قدری زیاد می‌شوند که حتی تصحیح خطا هم نمی‌تواند جلوی انتشار آن را بگیرد؛ در چنین شرایطی، افزایش اندازه‌ی شبکه نه تنها سودمند نیست، بلکه می‌تواند عملکرد پردازش را نیز مختل کند.

در مقابل، اگر نرخ خطای کیوبیت‌های فیزیکی به اندازه‌ی کافی پایین باشد، تصحیح خطا می‌تواند به خوبی این خطاهای اضافی را جبران کند. در این حالت، نرخ خطای کیوبیت‌های رمزگذاری‌شده به‌طور نمایی کاهش می‌یابد، یعنی با اضافه‌شدن کیوبیت‌های بیشتر، دقت پردازش به طرز قابل‌توجهی بهتر می‌شود.

نرخی که بین این دو حالت مرز ایجاد می‌کند (یعنی حالتی که تصحیح خطا از مضر بودن به سودمند بودن تغییر می‌کند)، آستانه (Threshold) نامیده می‌شود. به بیان ساده، اگر نرخ خطای کیوبیت‌ها کمتر از آستانه باشد، تکنیک‌های تصحیح خطا می‌توانند به‌طور موثر مشکلات را برطرف کنند و کارایی سیستم بهبود پیدا کند. نیوِن در همین رابطه در وبلاگ گوگل نوشت:

دستاوردی تاریخی در این حوزه، تحت عنوان «زیر آستانه» شناخته می‌شود؛ یعنی توانایی کاهش خطاها حتی با افزایش تعداد کیوبیت‌ها. برای اثبات پیشرفت واقعی در تصحیح خطای کوانتومی، ضروری است نشان دهید که به این مرحله دست یافته‌اید. این هدف از زمان معرفی مفهوم تصحیح خطای کوانتومی توسط پیتر شور در سال ۱۹۹۵، به‌عنوان یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های این حوزه مطرح بوده است.

دستاورد تاریخی در این حوزه، به‌عنوان «زیر آستانه» شناخته می‌شود؛ یعنی توانایی کاهش خطاها حتی با افزایش تعداد کیوبیت‌ها. برای اثبات پیشرفت واقعی در تصحیح خطای کوانتومی، ضروری است نشان دهید که به این مرحله دست یافته‌اید. این هدف از زمان معرفی مفهوم تصحیح خطای کوانتومی توسط پیتر شور در سال ۱۹۹۵، به‌عنوان یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های این حوزه مطرح بوده است.

– هارت‌موت نیوِن ، گوگل

همچنین دستاورد گوگل یک نمایش «فراتر از نقطه‌ی تعادل» را نشان می‌دهد. در این حالت، آرایه‌های کیوبیت در کامپیوتر کوانتومی جدید عمر طولانی‌تری نسبت به کیوبیت‌های فیزیکی منفرد دارند.

نیوِن پیشرفت صورت‌گرفته را به‌عنوان «نشانه‌ای انکارناپذیر از بهبود کلی سیستم از طریق تصحیح خطا» توصیف کرد. این فناوری می‌تواند مسیر تازه‌ای برای کاربردهای صنعتی و تجاری رایانه‌های کوانتومی بگشاید، زیرا کاهش نرخ خطا به معنای افزایش دقت و اطمینان این سیستم‌ها است. جزئیات این پژوهش و نتایج آن در مجله معتبر نیچر منتشر شده است.

پژوهشگران برجسته‌ی پردازش کوانتومی در سراسر جهان، دستاورد گوگل را گامی بزرگ در توسعه‌ی کامپیوترهای کوانتومی قلمداد کرده‌اند. باربارا ترهال، متخصص تصحیح خطای کوانتومی از دانشگاه فناوری دلفت هلند، این موفقیت را «نمایشی بسیار چشمگیر از رسیدن به زیر آستانه‌ی خطای قابل قبول» توصیف کرد. همچنین، میخائیل لوکین، فیزیکدان دانشگاه هاروارد، در مصاحبه‌ای گفت: «این دستاورد نشان می‌دهد که این ایده کاملاً عملی است.»

فلوریان نویکارت، رئیس سابق برنامه‌ی کوانتومی فولکس‌واگن که اکنون به شرکت ترا کوانتوم پیوسته است، اظهار داشت:

دستاورد گوگل در تصحیح خطای کوانتومی یک گام مهم به سمت محاسبات کوانتومی عملی است. این دستاورد یکی از بزرگ‌ترین چالش‌ها را هدف قرار می‌دهد: حفظ انسجام و کاهش خطاها در هنگام محاسبات. تراشه‌ی کوانتومی ویلو نشان‌دهنده‌ی پیشرفت‌های مهندسی سخت‌افزار با طراحی‌های مقیاس‌پذیر متمرکز بر سیستم‌های مقاوم در برابر خطاست.

– فلوریان نویکارت، مهندس ارشد شرکت ترا کوانتوم

بنیان‌گذار تیم هوش مصنوعی کوانتومی گوگل، ضمن رونمایی از تراشه‌ی ویلو، به دستاوردهایی استثنایی این تراشه هم اشاره کرد. او عملکرد ویلو را چنان سریع توصیف کرد که گویی محاسبات آن از جهانی دیگر «قرض گرفته شده است.»

این دستاورد به این نظریه‌ اعتبار می‌بخشد که محاسبات کوانتومی در بسیاری از جهان‌های موازی رخ می‌دهد و با ایده‌ی وجود چندجهانی که ما در آن زندگی می‌کنیم، همسو است.

– هارت‌موت نیوِن، بنیان‌گذار تیم هوش مصنوعی کوانتومی گوگل

عدد حیرت‌انگیز ۱۰ سپتیلیون سال از تمام مقیاس‌های زمانی شناخته‌شده در فیزیک فراتر رفته و به‌طور قابل‌توجهی از سن فعلی جهان که حدود ۱۳٫۸ میلیارد سال تخمین زده شده، بیشتر است؛ به همین‌خاطر، برخی معتقدند که محاسبات کوانتومی درواقع دارد در جهان‌های موازی انجام می‌شود.

البته ایده‌ی ارتباط جهان‌های موازی با محاسبات کوانتومی، مفهومی جدید نیست و پیش‌تر توسط دیوید دویچ (David Deutsch)، فیزیکدان بریتانیایی، مطرح شده بود. با این حال، نیوِن به‌عنوان یک مدیر برجسته در حوزه‌ی فناوری، برای نخستین بار این نظریه را با دستاوردهای شرکتش پیوند داد و آن را به‌شکلی رسمی به‌عنوان «فراتر از این دنیا، یا بهتر بگوییم فراتر از این جهان» توصیف کرد.

در تفسیر چندجهانی، هر رویداد کوانتومی به ایجاد شاخه‌هایی در مسئله می‌انجامد که به واقعیت‌های متعدد تقسیم می‌شود؛ به‌عنوان مثال، اگر یک ذره بتواند در دو حالت وجود داشته باشد، راه‌حل به دو شاخه تقسیم می‌شود.

در این تفسیر، هر انتخاب در شاخه‌های موجود در فضای حل مسئله، در یک جهان موازی دنبال می‌شود. نکته‌ی جالب اینکه تنها یک شاخه از راه‌حل‌ها در لحظه‌ی انتخاب، در این جهان پیگیری می‌شود؛ بنابراین، می‌توان برای هر شاخه، یک جهان موازی در نظر گرفت (که شاخه‌ی انتخابی به عنوان اولین گزینه است). براساس این تفسیر، شاخه‌های انتخاب‌نشده تنها فرضیاتی دنبال‌نشده نیستند، بلکه راه‌حل‌هایی هستند که در جهان‌های موازی پیگیری می‌شوند.

عملکرد الگوریتم‌های کوانتومی تنها زمانی به‌طور کامل درک می‌شود که ارتباط بین جهان‌های موازی را بپذیریم. به گفته‌ی دویچ، کارایی شگفت‌انگیز الگوریتم‌های کوانتومی، مانند الگوریتم شور برای تجزیه‌ی اعداد بسیار بزرگ به عوامل اولشان، تنها زمانی قابل درک است که کامپیوترهای کوانتومی را به‌عنوان ابزارهایی در نظر بگیریم که در جهان‌های موازی کار می‌کنند.

ویلو با ۱۰۵ کیوبیت، در دو معیار کلیدی تصحیح خطای کوانتومی و نمونه‌برداری از مدارهای تصادفی، بهترین عملکرد در کلاس خود را ارائه داده؛ دستاورد گوگل نشان می‌دهد که ساخت کامپیوترهای کوانتومی بسیار بزرگ و مفید امکان‌پذیر است و ویلو گامی مهم در مسیر استفاده از الگوریتم‌های عملی و تجاری در علم محاسبات به‌شمار می‌رود.

با این حال، نیوِن توضیح داد که مسئله‌ی RCS با وجود پیچیدگی‌اش، هنوز کاربرد تجاری مستقیمی ندارد. او تصریح کرد که دو آزمایش انجام‌شده اهداف متفاوتی را دنبال می‌کردند. از یک طرف، اجرای موفق بنچمارک RCS ثابت کرد که سیستم ویلو عملکردی بسیار سریع‌تر از کامپیوترهای کلاسیک دارد؛ اما در دنیای واقعی هنوز کاربرد شناخته‌شده‌ای ندارد. از طرف دیگر، شبیه‌سازی‌های علمی انجام‌شده روی سیستم‌های کوانتومی به کشفیات علمی جالبی منجر شده است، اما این شبیه‌سازی‌ها همچنان در توان محاسباتی کامپیوترهای کلاسیک قابل انجام هستند.

هدف تیم تحت رهبری نیوِن این است که نتایج دو مسیر را به هم نزدیک کند و الگوریتم‌هایی توسعه دهد که از مرز توانایی کامپیوترهای کلاسیک عبور کند و برای حل مسائل واقعی و تجاری مفید باشند.

گوگل از پژوهشگران، مهندسان و توسعه‌دهندگان دعوت می‌کند تا با استفاده از منابع آموزشی و نرم‌افزارهای متن‌باز این شرکت، به تحقیقات کوانتومی بپیوندند. به‌گفته‌ی نیون، منابع گوگل شامل یک دوره‌ی آموزشی جدید در Coursera است که در آن توسعه‌دهندگان می‌توانند اصول تصحیح خطای کوانتومی را یاد بگیرند و در طراحی الگوریتم‌هایی که توانایی حل چالش‌های آینده را دارند، مشارکت کنند.

هدف بعدی گوگل، دستیابی به اولین محاسباتی است که از توانایی کامپیوترهای کلاسیک فراتر برود و درعین‌حال برای کاربردهای واقعی و دنیای تجارت مرتبط باشد. نیوِن پیش‌بینی می‌کند که فناوری کوانتومی در آینده نقشی حیاتی در جمع‌آوری داده‌های آموزشی هوش مصنوعی ایفا خواهد کرد. او افزود که این دستاوردهای محاسباتی می‌توانند به کشف داروهای جدید، طراحی باتری‌های پیشرفته‌تر برای خودروهای برقی، تسریع در تحقیقات انرژی همجوشی و توسعه جایگزین‌های نوین انرژی منجر شوند.

شما چه دیدگاهی درباره‌ی تراشه‌ی ویلو دارید؟ آیا تراشه‌ی کوانتومی گوگل می‌تواند زمینه‌ساز تجاری‌سازی این نوع از تراشه‌ها باشد؟