باز شدن گره‌های کور مسائل علمی به‌دست کامپیوترهای کوانتومی

فناوری‌هایی که قرار است رویاهای ما را به حقیقت پیوند بزنند، چندان هم دور از دسترس نیستند و در آینده‌ای نزدیک، این چشم‌اندازها به کارهایی عادی و روزمره تبدیل می‌شوند.

نوپانا: چه می‌شود اگر بتوانید به راحتی از هوای بیابان آب بنوشید، بدون اینکه لازم باشد برای این کار الکتریسیته زیادی را از شبکه خطوط برق مصرف کنید یا یک دکتر بتواند بدون استفاده از حتی یک خراش، از بافت مشکوک به سرطان نمونه‌گیری کند؟ فناوری‌هایی که قرار است این رویاها و دیگر رویاهای ما را به حقیقت پیوند بزنند، چندان هم دور از دسترس نیستند. در واقع متخصصان پیش‌بینی می‌کنند طی چند سال آینده این چشم‌اندازها به کارهایی عادی و روزمره تبدیل شوند.

در سلسله مطالب پیش رو*، ۱۰ مورد از چنین فناوری‌های شگفت‌انگیز و نوظهوری، انتخاب و بررسی شده‌اند:

قسمت دهم: دسترسی بیشتر به کامپیوترهای کوانتومی

نزدیک به ۵۰ سال است که ایده کامپیوترهای کوانتومی توجه همه را جلب کرده‌ است. دلیل این مسئله روشن است: این کامپیوترها راه‌حل مسائلی خواهند بود که با ماشین‌های کلاسیک فعلی نمی‌توان به آنها جواب داد. به عنوان نمونه شبیه‌سازی شیمی دقیق برای توسعه‌ مولکول‌های جدید و حل مسائل بهینه‌سازی پیچیده که هدف آنها تنها بهترین راه‌حل در میان گزینه‌های مختلف نیست. هر صنعتی نیاز به بهینه‌سازی دارد و به همین علت، چشم‌انداز این تکنولوژی بسیار روشن است.

تا همین اواخر، دسترسی به کامپیوترهای پیشرفته‌ کوانتومی محدود به متخصصین چند آزمایشگاه خاص در جهان بود؛ ولی پیشرفت‌های چند سال اخیر باعث ساخت اولین سیستم‌های آزمایشی جهان شد که بالاخره می‌توانند ایده‌ها، الگوریتم‌ها و سایر تکنیک‌های ما را که تا به این‌جا بیشتر تئوری بوده‌اند، در عمل آزمایش کنند.

کامپیوترهای کوانتومی با استفاده از قدرت مکانیک کوانتوم به حل مسئله می‌پردازند. برعکس دستگاه‌های کلاسیک که هر راه‌حل را تک‌تک و به نوبت بررسی می‌کنند، این کامپیوترهای جدید طوری عمل می‌کنند که با مقیاس‌های معمولی قادر به شرح آن نیستیم. آنها کار را با وضعیت کوانتومی تمامی راهکارهای ممکن شروع کرده و بعد از همپوشانی آنها و تداخل کوانتومی برای پیدا کردن جواب صحیح استفاده می‌کنند؛ یعنی چیزی که معمولا در زندگی روزمره‌ خود با آن روبه‌رو نمی‌شویم. مزیت این کامپیوترها برابر با میزان مشکلات ساخت آنهاست. یک طراحی مناسب نیازمند مواد ابررسانا (که باید در دمایی ۱۰۰ برابر سردتر از فضای خارجی نگهداری شوند)، کنترل دقیق وضعیت حساس کوانتومی و محافظت از پردازشگر است که کوچک‌ترین نوری به آن نرسد.

(همچنین بخوانید: ساخت رایانه‌های کوانتومی با استفاده از الماس)

دستگاه‌های فعلی آن‌قدر کوچک هستند که نمی‌توانند مسائلی پیچیده‌تر از آن‌چه را که از عهده‌ ابرکامپیوترها بر می‌آید، حل کنند. با این حال، پیشرفت قابل ملاحظه‌ای هم صورت گرفته است. الگوریتم‌هایی به وجود آمده‌اند که در دستگاه‌های کوانتومی بسیار سریع‌تر عمل می‌کنند. حالا تکنیک‌هایی وجود دارد که ماندگاری (طول عمر اطلاعات کوانتومی) در بیت‌های ابررسانای کوانتومی را ۱۰۰ برابر نسبت به ۱۰ سال گذشته افزایش می‌دهند. حالا می‌توانیم مهم‌ترین خطاهای کوانتومی را محاسبه کنیم. در سال ۲۰۱۶، شرکت IBM دسترسی عمومی به اولین کامپیوتر کوانتومی موجود در ابر –معروف به تجربه IBM Q- را عمومی کرد که رابط گرافیکی آن برای برنامه‌نویسی استفاده می‌شود و حالا بر پایه‌ زبان برنامه‌نویسی محبوب پایتون قرار گرفته است. گشودن درهای این سیستم به روی جهان باعث شد خلاقیتی جرقه بزند که برای پیشبرد تکنولوژی ضروری است و تا به امروز، بیش از ۲۰ مقاله‌ علمی با استفاده از همین ابزار منتشر شده است. این حوزه در حال رشد بی‌سابقه‌ای است. گروه‌های تحقیقاتی و بیش از ۵۰ استارت‌آپ و شرکت مختلف در سراسر جهان عزم خود را جزم کرده‌اند تا کامپیوترهای کوانتومی را تبدیل به واقعیت کنند.

با این پیشرفت‌های تکنولوژیک و دستگاهی که در دسترس همه قرار گرفته است، حالا دیگر وقت آن رسیده که خود را برای کوانتوم آماده کنیم. حالا همه می‌توانند بفهمند اگر دستگاه‌های کوانتومی همین امروز وجود داشتند،‌ چطور می‌توانستند با آنها به حل مسئله بپردازند. راهنمای کامپیوترهای کوانتومی برای هدایت آنها در اینترنت فراوان است.

اما هنوز موانع زیادی هم وجود دارد. زمان ماندگاری می‌تواند بهبود یابد، ممکن است نرخ خطاهای کوانتومی کاهش یابد و در نهایت بتوانیم خطاهای پیش آمده را برطرف کرده یا کم‌ارزش‌تر کنیم. محققان همچنین به نوآوری در حوزه‌ سخت‌افزار و نرم‌افزار ادامه خواهند داد؛ اما همین محققان بر سر این‌که چه معیاری می‌تواند تعیین کند کامپیوترهای کوانتومی به بلوغ رسیده‌اند،‌ با هم اختلاف نظر دارند. برخی استانداردی را پیشنهاد می‌کنند که توانایی انجام اندازه‌گیری‌های علمی بسیار مبهم است که نمی‌توان به راحتی آن را برای عام شرح داد. برخی دیگر نیز حرفشان این است که کامپیوترهای کوانتومی تا زمانی که نتوانند مشکلاتی با اهمیت تجاری، فکری و اجتماعی را حل کنند، یک تکنولوژی جدید محسوب نمی‌شوند؛ اما خبر خوش این است که این روز، چندان دور نیست.

(همچنین بخوانید: کامپیوترهایی که بهتر از انسان‌ها می‌بینند)

* قسمت‌های مختلف این مطلب، حاصل همکاری مجله‌های معتبر Scientific American و World Economic Forum’s Expert Network است.