ساخت نخستین پردازنده کوانتومی ۱۰۰ کیوبیتی مبتنی بر اتم‌های فوق سرد

رایانه‌ی کوانتومی پیشرفت‌های زیادی در بسیاری از زمینه‌ها، از رمزنگاری تا شبیه‌سازی تاشدگی پروتئین‌ها و... را نوید می‌دهد؛ اما همچنان ساخت و به‌کارگیری فرایند مفید و واحد برای ساخت تراشه‌ی کوانتومی به‌منظور ایجاد بیت‌های کوانتومی انعطاف‌پذیر، مقاوم و در مقیاس بزرگ یک راز باقی مانده است.

درست مانند پردازنده‌های معمولی، کامپیوترهای کوانتومی به مکانیزم خنک‌کننده، البته با مقیاس بسیار گسترده‌تر نیاز دارند. در آینده ممکن است هزاران یا حتی میلیون‌ها کیوبیت منطقی به‌طور هم‌زمان در محاسبات استفاده شوند و برای به دست آوردن نتیجه‌ی صحیح، هر کیوبیت باید در ابتدای محاسبه دوباره تنظیم شود. اگر کیوبیت‌ها خیلی گرم باشند، نمی‌توان آن‌ها را مقداردهی اولیه کرد؛ زیرا بیش از حد بین حالت‌های مختلف جابه‌جا می‌شوند؛ از این‌رو اکثر سیستم‌های پردازش کوانتومی فقط در دمای صفر مطلق کار می‌کنند.

در حال‌ حاضر شرکت‌ها از فرایندهای متفاوتی برای ساخت پردازنده‌ی کوانتومی استفاده می‌کنند و به‌نوعی در حال آزمون‌وخطا برای دست‌ یافتن به فرمولی بهتر از رقبا هستند. برای مثال، گوگل و IBM از مدارهای ابررسانا استفاده می‌کنند که تقریبا در صفر مطلق خنک می‌شوند. از طرف دیگر، هانی‌ول طراحی تله‌یونی کیوبیت‌ها را از اتم‌های ایتربیم مجهز به بار الکتریکی تولید می‌کند. کیوبیت‌های اینتل الکترون‌های منفردی هستند که توسط ویژگی مکانیکی کوانتومی چرخش از دیگران متمایز می‌شوند و Xanadu برای کیوبیت‌هایش از فوتون بهره می‌گیرد و پردازنده‌های کوانتومی آن در دمای اتاق کار می‌کنند.

اما شرکتی نوپا به نام کولدکوانتا (ColdQuanta) با خنک‌ کردن اتم‌ها تا دمای نزدیک صفر مطلق و کنترل آن‌ها با لیزر، با موفقیت یک پردازنده کوانتومی ۱۰۰ کیوبیتی ایجاد کرده است که در می‌تواند با سیستم‌های پیشرفته تولیدشده توسط غول‌های پیشرو حوزه رایانش کوانتومی رقابت کند. کولدکوانتا یک شرکت مستقر در ایالات متحده آمریکا و متخصص به‌کارگیری و دست‌کاری اتم‌های سرد است‌. پردازنده مذکور با نام رمز هیلبرت (Hilbert) مجهز به ۱۰۰ کیوبیت، قلب تپنده کامپیوتر کوانتومی آینده این شرکت را تشکیل خواهد داد و ظاهرا بعد از بهینه‌سازی و کارهای نهایی، اواخر سال جاری میلادی راه‌اندازی  خواهد شد.

چشم‌انداز کولدکوانتا در سه سال آینده بدین گونه است که سیستمی فراتر از ۱۰۰ کیوبیت ایجاد کند که دقیقا با نقشه راه آی‌بی‌ام برای ایجاد سخت‌افزار کوانتومی مطابقت دارد. با استناد به نقشه‌ی راه آبی بزرگ، این شرکت در نظر دارد تراشه‌ی Eagle مجهز به ۱۲۷ کیوبیت را در سال آینده‌ی میلادی و پردازنده‌ی Osprey با ۴۳۳ کیوبیت را در سال ۲۰۲۲ آماده‌ی استفاده کند. گفته می‌شود شرکت یادشده در سال ۲۰۲۳ تراشه‌ی کُندور (Condor) را عملیاتی خواهد کرد که در بطن خود ۱۱۱۲ کیوبیت جای داده است و نقطه‌ی عطفی در مفیدتر کردن الگوریتم‌های محاسبات کوانتومی محسوب می‌شود و در نهایت، IBM بعد از مدتی نامعلوم قصد دارد کامپیوتر یک میلیون کیوبیتی خود را به بهره‌برداری برساند. جهش از ۶۵ کیوبیت به یک میلیون کیوبیت کاملا چشمگیر خواهد بود.

اتم‌های سرد یا فوق سرد، اتم‌هایی هستند که در دمای نزدیک به صفر کلوین (صفر مطلق) و معمولاً زیر چندین ده میکروکلوین (μK) حفظ می‌شوند و این دقیقا همان دمایی است که خصوصیات مکانیکی کوانتوم اتم‌ها پدیدار می‌شود. برای رسیدن به چنین دمایی، معمولاً باید ترکیبی از چندین تکنیک استفاده شود. ابتدا اتم‌ها از طریق خنک‌سازی لیزری در یک دام مغناطیسی نوری گیر می‌کنند و از قبل سرد می‌شوند. برای رسیدن به کمترین دمای ممکن، خنک‌سازی بیشتر با استفاده از خنک‌کننده تبخیری در یک دام مغناطیسی یا نوری انجام می‌شود.

پل لیپمن، رئیس محاسبات کوانتومی در کولدکوانتا، درباره اتم‌های سرد می‌گوید:

ما چیزهای زیادی در مورد یون‌های ابررسانا و به دام افتاده می‌شنویم و برخی جنبه‌های اتم سرد دستاوردهای جدیدی هستند که در این بلوک قرار می‌گیرند؛ اما ما معتقدیم که از نظر مقیاس‌پذیری آینده‌ی خوبی را نوید می‌دهند.

رویکرد کولدکوانتا شامل ترمیم اتم‌ها (مانند کیوبیت‌ها) و پایین‌ آوردن شدید دمای آن‌ها است؛ جایی که می‌توان با دقت زیادی خواص کوانتومی‌شان را دست‌کاری کرد و دلیلش این است که در چنین محیط منفردی، اتم‌ها در برابر نویزهای محیط محافظت می‌شوند و می‌توانند خصوصیات کوانتومی خود را برای مدت طولانی‌تری حفظ کنند. البته باید توجه داشت که خنک‌ کردن ذرات برای کنترل بهتر آن‌ها در دنیای کوانتوم رویکرد جدیدی نیست. برای مثال، پردازنده‌های ابررسانای گوگل و IBM هم نیاز به قرار دادن کیوبیت در یخچال‌های بزرگ دارند؛ جایی که دما به صفر کلوین (منفی ۲۷۳ درجه سانتی‌گراد) می‌رسد. البته رویکرد اتم‌های سرد کولدکوانتا یک قدم جلوتر می‌رود و اتم‌ها تا سطح میکروکلوین خنک می‌شوند. به عبارت‌ دیگر، اتم‌ها هزار برابر از روش ابررسانا سردتر می‌شوند!

به‌جای استفاده از یخچال‌های بزرگ، کولدکوانتا قبل از استفاده از ترکیبی از لیزرها و پالس‌های مایکروویو، اتم‌ها را با لیزر برای خنک‌ کردن به دام می‌اندازد و سپس آن‌ها را در دروازه‌هایی که یک مدار کوانتومی را تشکیل می‌دهند، استفاده می‌کند. لیپمن دراین‌باره می‌گوید:

ازآنجاکه ما اتم‌ها را با لیزر خنک می‌کنیم و نه یخچالِ رقیق‌سازی، از نظر ساخت یخچال‌ عظیمی که بتواند تعداد زیادی کیوبیت را در خود جای بدهد، چالش‌های مقیاس‌بندی یکسانی نداریم. ما اتم‌ها را تا میکروکلوین خنک می‌کنیم و این در حالی است که کامپیوتر کوانتومی می‌تواند در دمای اتاق مورد استفاده قرار بگیرد.

در رویکرد یادشده اتم‌ها ده هزار برابر کوچک‌تر از کیوبیت‌های ابررسانا هستند؛ به این معنی که بسیاری از کیوبیت‌های اتم سرد را می‌توان در یک فضای بسیار کوچک‌تر قرار داد. آنچه برای پردازنده کوانتومی ابررسانا به فضایی با واحد متر مربع نیاز دارد، می‌تواند روی یک سیستم اتم سرد به اندازه ناخن بنشیند! رئیس محاسبات کوانتومی کولدکوانتا استدلال می‌کند که اتم‌های سرد دارای مقیاس‌پذیری ذاتی هستند که بسیار جذاب است.

توانایی ایجاد اتم‌های سرد در مقیاس‌دهی سریع یکی از مهم‌ترین نقاط قوت این شرکت محسوب می‌شود؛ اما کماکان چالش‌های مهندسی وجود دارد که هنوز هم ظرفیت هیلبرت را محدود می‌کنند. دانشمندان شرکت مذکور در حال بررسی چگونگی استفاده از لیزر در مواقعی هستند که تعداد کیوبیت به ترتیب بزرگی افزایش می‌یابد. افزون‌ بر این، کولدکوانتا برای دستیابی به بهترین مسیر روبه‌جلو، بسترهای آزمایشگاهی مناسبی برای فرایند آزمون‌وخطا ایجاد کرده است.

لیپمن مدعی است که اصول اساسی این روش آزمایش و اثبات شده و اتم‌های سرد عملکردی مشابه پردازنده‌های کوانتومی پیشرفته دارند. داده‌های این شرکت همچنین نشان می‌دهد که این سیستم از لحاظ تعداد کیوبیت‌هایی که می‌توانند با یکدیگر تعامل و انسجام داشته باشند (شرایطی می‌توان خواص کوانتومی را حفظ کرد)، با رایانه‌های کوانتومی IBM و گوگل قابل مقایسه است. بااین‌حال یکی از نقاط ضعف پردازنده جدید در مقایسه با سایر رقبا، به دقت محاسباتی آن مرتبط می‌شود؛ اما گفته می‌شود بخشی از کارهای بهینه‌سازی که هم‌اکنون در حال انجام است، به ارتقا عملکرد هیلبرت در زمینه وفاداری کیوبیت‌ها اختصاص دارد.

لیپمن خاطرنشان می‌کند که این نتایج امیدوارکننده، کولدکوانتا را در اکوسیستمی که با سرعت بالایی رشد می‌کند، متمایز از سایر رقبا قرار می‌دهد. نقاط عطف جدید توسط شرکت‌های کوانتومی بزرگ و کوچک با سرعت سریع تعریف می‌شود و تعداد رویکردهای محاسبات کوانتومی به‌سرعت در حال افزایش است. هرکدام مزایا و چالش‌های خاص خود را دارند. لیپمن در ادامه می‌گوید:

خیلی زود است که بگوییم کدام رویکرد برنده خواهد شد. اگر دو یا سه سال ساعت را به جلو بچرخانید، حتی ممکن است روش‌هایی وجود داشته باشد که ما امروز حتی اطلاعات عمومی از آن‌ها در دسترس نداریم؛ اما ممکن است ما در خط مقدم باشیم. ما پس از راه‌اندازی رایانه بیشتر خواهیم آموخت؛ اما اکنون تمرکز ما کار با مشتریان بالقوه برای ارائه ارزش ملموس در کوتاه‌مدت است.

کولدکوانتا هنوز هیچ مشتری تجاری را به‌طور عمومی اعلام نکرده است؛ اما این شرکت به‌طور خاص در زمینه بهینه‌سازی برنامه‌هایی علوم مواد و ارتباطات از راه‌ دور و زمینه‌های مشابه کار می‌کند. کولدکوانتا همچنین با آژانس پروژه‌های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی (DARPA) همکاری طولانی‌مدت دارد که در نتیجه، بودجه‌ی ۷٫۴ میلیون دلاری به این شرکت اختصاص می‌یابد و از آن برای توسعه کامپیوتر کوانتومی مبتنی‌ بر اتم سرد مقیاس‌پذیر برای برنامه‌های دفاعی استفاده خواهد کرد.

انتظار می‌رود پردازنده هیلبرت اواخر امسال راه‌اندازی شود و از طریق رایانش ابری خصوصی این شرکت در دسترس قرار بگیرد. کولدکوانتا همچنین در حال مذاکره با آمازون، مایکروسافت و گوگل است تا در نهایت رایانه کوانتومی را از طریق سرویس‌های ابری آژور، AWS و گوگل کلاد قابل دسترس کند.