پردازنده کوانتومی (Quantum Processors) چیست؟ سرعت پردازنده کوانتومی

پردازنده کوانتومی، صنعت بلاک چین و وب 3 دنیای نوین پیش و رو

پردازنده کوانتومی (Quantum computer) چیست؟ ساخت پردازنده های کامپیوتری

پردازنده کوانتومی (Quantum computer) چیست؟ ساخت پردازنده های کامپیوتری

پردازنده کوانتومی (Quantum computer) روش جدیدی برای پردازش داده های مختلف به کمک قوانین مکانیک کوانتوم مانند برهم نهی (Superposition) و درهم تنیدگی (Entanglement) است که دنیایی جدید را پیش و روی ما قرار میدهد. عصری نوین و پر چالش که با پردازنده های کوانتومی و فیزیک کوانتوم آغاز میشود و میتواند همانند روزهای آغازین کشف برق، تحولی عظیم در جهان ما ایجاد کند.

در مطلبی که در ادامه میخوانید، به صورت مستند به بررسی روند پیشرفت های مهم صنعت پردازنده های کوانتومی میپردازیم و منابع و خبرهایی از پیشرفت های این حوزه گردآوری کردیم که اگر عمر کفاف کند، به صورت منظم بروز میشود و با هر پیشرفت جدیدی در این حوزه این مقاله بروز رسانی میشود. پس با ما همراه باشید.

سرعت پردازنده کوانتومی (Quantum Processors)

شاید در خبرها خوانده باشید که با ایجاد درهمتنیدگی بین زوج های فوتون نور، پردازنده کامپیوتری توانست محاسباتی که ابرکامپیوتر وزارت دفاع امریکا (ساخت آی بی ام) با میلیون ها ترابایت حافظه در ۴۸ ساعت انجام دهد، را در یک دهم میلی ثانیه (۰/۰۰۰۱ ثانیه) انجام داد. بعد از این مرحله بود که محققین فیزیک اپتیک دانشگاه واترلو در کانادا روشی را کشف کرده اند که درهمتنیدگی در گروه های ۳ تایی فوتون های نور ایجاد کنند. این روش به طور اختصار SPDC نام دارد.

پردازنده کوانتومی (Quantum computer)

کاربری این کشف در ساخت پردازنده های کوانتمی انقلابی در سرعت پردازش داده ها توسط پردازنده های کوانتمی آغاز کرد و به نوعی این دانشکده توانسته روند مهمی را در این حوزه شروع کند. Quantum Supremacy روشی است که محققین این دانشکده روی آن کار میکنند و نتایج اولیه تحقیقات خودشان را منتشر کردند. جالب است بدانید برای گسترش سرعت پیشرفت حوزه کوانتومی، ماهواره ارتباط کوانتمی نیز به فضا ارسال شده است.

بخاطر سرعت فوق العاده بیشتر داده پردازی، پردازنده های کوانتمی میتوانند تمام شبکه های کامپیوتری عادی (باینری) را به راحتی آب خوردن هک کنند. ولی باینری ها نمیتوانند شبکه داده های کوانتمی را هک کنند. علت این است کهه وقتی سعی کنند شبکه کوانتمی را هک کنند، بیت های کوانتمی (فوتون های درهمتنیده) فوراً تغییر حالت کوانتمی میدهند و اطلاعات درون آنها دیگر قابل دسترسی نخواهند بود.

در همین گیر و دار پیشرفت های کوانتومی بود که در سال ۲۰۱۶ چین اولین ماهواره ارتباطات کوانتمی جهان را به فضا فرستاد. کشور دیگری تا بحال نتوانسته این کار را انجام بدهد.اهمیت موضوع به قدری بود که مقاله ای در نیچر منتشر شد که نشان میداد رکورد جدیدی برای ارتباط بین این ماهواره و یک نود کوانتمی روی زمین بجا گذاشته شده. رکوردی معادل ۱۲۰۰ کیلومتر بر ساعت! یعنی تنها ماهواره ارتباط کوانتمی جهان باز هم رکورد زد!

کامپیوتر کوانتومی (Quantum computer)

ورود غول دنیای پردازنده به دنیای پردازنده کوانتومی

سرعت رشد پردازنده های کوانتومی بالاست و شرکت های مختلفی در این حوزه مشغول فعالیت هستند. غول دنیای پردازنده یعنی اینتل هم از این غافله عقب نمانده و به کمک محققین شرکت QuTech در اورگن (ایالتی در شمال غرب امریکا) توانستند برای اولین بار براى پردازنده کوانتمی تا حداکثر ۱۲۸ بیت کوانتمی قطعه مهم CMOS بسازد. این شرکت در تحقیقات خودش اعلام کرده که مرحله بعدی پیشرفت به سمت پایین آوردن دمای لازم برای کاربرد کیوبیت ها از حد ۳ درجه کلوین خواهد بود.

نکته مهم اینجاست که با تکمیل ساخت CMOS و توسعه آن به بیش از ۱۲۸ کیوبیت، کم کم ساخت پردازنده های کوانتمی و تولید انبوه کامپیوترهای کوانتمی ممکن خواهد شد. یعنی ورود اینتل به موضوع از این زاویه قابل بررسی است. واژه CMOS مخفف Complementary Metal Oxide Semiconductor یا اکسید نیمه رسانای فلزی است که به زودی بیشتر از آن خواهید شنید. اما نکته شگفت انگیز ماجرا ۳ درجه کلوین است که در دنیای مهندسی در حد حرف و تئوریک است.

البته تحقیقات مختلف نشان داده که فیزیک دانان مدت زمان زیادی است که رفتار ذرات را در نزدیکی صفر کلوین بررسی میکنند. تقریباً حدود ۳۰ سال پیش رفتار هلیوم در دمای نزدیک صفر مشاهده شد. گاز هلیوم رو سرد کردند، در دمای نزدیک صفر کلوین اتم ها تقریباً از حرکت باز ایستادند، کمی سردتر، هلیوم مایع شد. سپس از جدار ظرف فلزی به بیرون نشت کرد! پدیده تونلینگ کوانتمی ایجاد شد. کم کم این پدیده (تونلینگ) در شاخه های دیگه مثل بیولوژی و ژنتیک و ..‌. هم بکار گرفته شد و حالا از همین روش برای توسعه سیستم خنک سازی پردازنده های کوانتومی استفاده میکنند.

اولین کامپیوتر کوانتومی شرکت اینتل

شگفت آور است نه؟ شاید بپرسید، چه دستگاهی و ماده ای و ظرفی تا این حد از دما را می تواند تحمل کند؟ پاسخ این است که . خیلی از نتایج چون جنبه استراتژیک دارد و حتی محرمانه تلقی میشود. اما تحقیقات زیادی روی رفتار اتم ها در حرارت نزدیک به صفر کلوین در جریان است که حتماً به نتیجه میرسد.

 پدیده کوانتمی عایق توپولوژیک یا Topological Insulator

قبل از پرداختن به جزییات این آزمایش کوانتمی بیسابقه و نتیجه بیسابقه آن، ببینیم پدیده کوانتمی عایق توپولوژیک یا Topological Insulator چییست؟! در یک عایق توپولوژیک، الکترون های آزاد موجود در فلزات به جای حرکت به درون یک جسم، بر روی سطوح خارجی اون جسم حرکت میکنند. دانشمندان به پروسه تبادل انرژی بین این الکترون ها بر روی سطوح خارجی یک عایق توپولوژیک میگویند هیبریدازسیون کوانتمی.

این پدیده که اهمیت فوق العاده ای در طراحی و ساخت پردازنده های کوانتمی دارد، تا مدتی فقط دارای تحلیل کوانتمی بود، ولی این تحلیل هیچگاه در آزمایشگاهی درستی آزمایی نشده بود. اما این اتفاق افتاد و نتایج تحقیقات آزمایشگاهی بر روی سلنید بیسموت Bi2Se3 توسط یک تیم متشکل از محققین دانشگاه نیویورک، دانشگاه ام آی تی و مرکز ملی تحقیقات لارنس در ژورنال بین المللی و داوری شده Nature چاپ شد.

خوب شاید بپرسید که چی؟ بیسابقه بودن این نتایج بخاطر درستی آزمایی نتایجی است که قبلاً به صورت تحلیلی اثبات شده بود. در واقع تحقیقات و نتایج سرعت انتقال الکترون ها در موج کلاک رو به لحاظ تئوریک تایید میکرد. اما دغدغه ای که در بحث پردازنده های کوانتومی مطرح هست این مطلب میباشد که آیا بالاخره دانشمندان میتوانند میزان پردازش در هر کلاک و چند اینستراکشن را به طور همزمان در یک کلاک اجرا کنند تا سرباری که در کانتکست سویچ سیستم عامل اتفاق می افتد کمتر بشود و یا کلاً مرتفع شود یا خیر؟!

پدیده کوانتمی عایق توپولوژیک یا Topological Insulator

این چیزی است که همچنان دارای ابهام است و این ابهام با پیشرفت های عظیم کوانتومی مرتفع نشده و به عنوان یک سوال بی پاسخ باقی مانده. هر چند ما هنوز ابتدای راه پردازنده های کوانتومی هستیم و تا پیشرفت و تجاری سازی آن ها راه زیادی داریم.

سرعت پردازش پردازنده های باینری و کوانتمی

مقایسه سرعت پردازش پردازنده های باینری و کوانتمی یکی از سوالات مهم در این حوزه است. یکی از مهمترین کاربردهای فیزیک کوانتم، طراحی و ساخت پردازنده های کوانتمی است. در پردازنده های عادی (باینری)، الکترون ها منتقل کننده داده ها هستند و هر بیت میتواند مقدار ۱ یا صفر داشته باشد. در پردازنده های کوانتمی، اولاً، براساس اصل Quantum Superposition فوتون ها (کوانتاهای نور) میتوانند بیش از ۱ مقدار عددی داشته باشند و ثانیاً، بر اساس اصل درهمتنیدگی کوانتمی یا Quantum Entanglement اطلاعات بطور همزمان بین تمام کیوبیت ها (فوتون ها) به اشتراک گذاشته میشود و با استفاده از الگوریتم های لازم، سرعت پردازش داده ها فوق العاده افزایش میابد.

بیاید یک نمونه را مثال بزنیم؛ در سال ۲۰۱۸، محققین محاسباتی را با سریعترین ابرکامپیوتر باینری بشر (ساخت آی بی ام) انجام دادند و این سریعترین کامپیوتر باینری روی زمین (با میلیاردها ترا بایت حافظه) برای انجام محاسبات ۴۸ ساعت وقت صرف کرد‌. جالب است بدانید همین محاسبات با یک پردازنده کوانتمی تنها ۵۰ کیوبیت لازم دارد (دقت کنید: میلیاردها ترابایت باینری در‌مقابل ۵۰ تک فوتون نور) و پردازنده کوانتمی با تنها ۵۰ فوتون نور میتواند عین همان محاسبات را در کمتر از یک دهم میلی ثانیه انجام بدهد (۰/۰۰۰۱ ثانیه).

در واقع؛ یک پردازنده کوانتمی با تنها ۳۰۰ فوتون درهمتنیده میتواند هر کامپیوتر باینری را عین آب خوردن هک کند. به این سرعت پردازش Quantum Supremacy گفته میشود. در این زمینه هم سوالات زیادی همچنان باقی است. مثل مکانیزم استفاده از حافظه های نهان (اگر داشته باشند)، مقدرا آدرس دهی، نوع معماری پردازنده ها، مدار منطقی (اگر داشته باشد) و … که تا حصول نتیجه نهایی باید منتظر ماند.

سرعت پردازش Quantum Supremacy

قدمی برای شبکه اینترنت کوانتمی

در بین پیشرفت های جالب توجه حوزه پردازنده های کوانتومی، ساخت شبکه اینترنت کوانتمی چیزی بود که معنای دیگری داشت. محققین فیزیک کوانتم حدود ۲۰ سال است به دنبال طراحی و ساخت شبکه اینترنت کوانتمی هستند که ۲ مزیت اصلی نسبت به شبکه های انیترنت باینری عادی (امروزه) دارند:

  1. سرعت انجام محاسبات توسط پردازنده های کوانتمی فوق العاده بالاتر از پردازنده های باینری‌ است.
  2. امنیت شبکه بسیار بالاتر از شبکه های باینری است.

دانشمندان طی ۳ سال گذشته توانسته اند بین فوتون های نور تحت هرگونه شرایط لازم برای ساخت اینترنت کوانتمی، درهمتنیدگی ایجاد کنند (حتی در فضا، زیر سطح اقیانوس). ولی تا به حال نتوانسته بودند در حین انتقال فوتون های حاوی اطلاعات، بین دو حافظه کوانتمی، درهمتنیدگی را تا بیش از فاصله ۵۰ کیلومتر ایجاد کنند. در سال ۱۳۹۹ و در حین آزمایشات کوانتومی، این قدم مثبت نیز با موفقیت برداشته شد و محققین توانستند با ارسال اطلاعات بین دو حافظه کوانتمی از طریق فیبر نوری، به این هدف مهم نیز دست یابند. ارزش و اهمیت این کشف به قدری بالا بود که مجله نیچر هم آن را به چاپ رساند.

پردازنده کوانتمی: ۲۰۰ ثانیه در‌ مقابل ۲/۵ میلیارد سال

و اما آخرین اتفاق مهمی که در حوزه پیشرفت های بسیار مهم کوانتومی در زمینه ساخت و طراحی پردازنده های کوانتومی رخ داده، محاسبه ۷۶ کیوبیت در ۲۰۰ ثانیه است.  دیروز، متخصصین نتایج محاسبات با استفاده از تنها ۷۶ کیوبیت (فوتون) در طی ۲۰۰ ثانیه را ارائه دادند که اگر با کامپیوترهای عادی آن محاسبات را انجام بدهند، حدود ۲/۵ میلیارد سال طول میکشد. سرعت پردازنده های کوانتمی خیلی به مرز quantum supremacy نزدیک شده. مرزی که عبور از آن امنیت شبکه های باینری را به خطر خواهد انداخت.

ساخت و طراحی پردازنده های کوانتومی

متخصصین میگویند، یک هکر با یک پردازنده کوانتمی با حدود ۴۰۰ تک فوتون درهمتنیده میتواند براحتی هر سیستم پردازش باینری (بانکها، تسلیحات نظامی …) را هک کند. به دلیل استفاده از اصل کوانتمی superposition، برخلاف پردازنده های عادی (باینری) که مقدار عددی بیت ها فقط میتواند صفر یا یک باشد، بیت های کوانتمی qubit علاوه بر صفر یا یک میتوانند همزمان هم صفر هم یک باشند. بله، این فقط یکی از شگفتی های فیزیک کوانتم است.

همچنین، بدلیل استفاده از اصل درهمتنیدگی کوانتمی (شگفتی دیگر فیزیک کوانتم که انیشتن آنرا spooky نامید و نپذیرفت)، وقتی تعداد qubit های یک پردازنده کوانتمی از حدود ۶۰ عدد بالاتر میرود، سرعت پردازش داده ها بطور تصاعدی و با سرعت شگفت انگیز بالا میرود.

دوران داده پردازی کوانتمی، ماهواره کوانتمی و شبکه اینترنت کوانتمی آغاز شده. امیدوارم مردم جهان به زودی بتوانند کریپتو مستقل از دولت ها براساس الگوریتم های کوانتمی داشته باشند.

این مطلب از منابع متعدد تالیف شده، کپی با ذکر منبع احترام به خودتان و اکوسیستم است.
خروج از نسخه موبایل