گربه شرودینگر در دنیای رایانه‌

گربه شرودینگر، آزمایشی فکری است که اروین شرودینگر، فیزیکدان اتریشی در سال 1314/ ۱۹۳۵ ابداع کرد. ماجرا از این قرار است که فرض کنید گربه‌ای در جعبه‌ای دربسته زندانی شده است. در این جعبه به‌جز گربه، یک شیشه گاز سیانور، یک چکش، یک حسگر پرتوزا و یک منبع پرتوزا نیز وجود دارد. ذرات پرتوزا به صورت نامنظم تابش می‌کنند و به همین دلیل برای آنها نیمه عمر در نظر گرفته می‌شود. فرض کنید حسگر و چکش طوری تنظیم شده باشند که در صورت تابش موج پرتوزا بین ساعت ۱۲ و ۱۲:۰۱، چکش شیشه حاوی گاز را بشکند و گربه بمیرد. اگر در ساعت ۱۲:۰۱ در جعبه را باز کنید چه خواهید دید؟ اگر از طریق فرمول نیمه عمر منبع، احتمال تابش بین ساعت ۱۲ و ۱۲:۰۱ را ۵۰درصد پیش‌بینی کنید، در این صورت گربه داخل جعبه در هنگام برداشتن در جعبه ۵۰درصد مرده‌است و ۵۰درصد زنده است. اما وقتی در جعبه را برمی‌دارید خواهید دید که گربه مرده یا زنده است. به بیان دیگر نمی‌توان گفت ۵۰درصد سلول‌های بدن گربه مرده‌اند و ۵۰درصد آنها زنده‌اند! در فاصله یک لحظه، احتمال به یقین تبدیل خواهد شد. این امر کاملا با مکانیک کوآنتومی در تضاد است. همان‌طور که گفتیم هیچ‌گاه نمی‌توان موقعیت یک سیستم را به دقت اندازه‌گیری کرد، اما در این مثال کاملا این ممکن شده است.
این آزمایش که گاهی به صورت پارادوکس تعریف می‌شود، نشان می‌دهد اگر قوانین مکانیک کوآنتومی بر اشیای عادی و روزمره اعمال شود، چه اتفاقی می‌افتد.
این گونه پارادوکس‌ها در مکانیک کوآنتومی بسیار زیاد است. اما با این همه مکانیک کوآنتومی در پیش‌بینی نتایج بسیاری از آزمایش‌ها به‌طور درخشانی موفق بوده است و بر رفتار ترانزیستورها و مدارهای مجتمع که جزو اساسی اجزای دیجیتالی است حاکم بوده و بنیان شیمی و زیست‌شناسی نوین را می‌سازد.
دستیابی به فناوری تولید رایانه‌های کوآنتومی آرزویی است که در سال‌های اخیر هدف بسیاری از غول‌های بزرگ فناوری مانند گوگل بوده است. گوگل پیش از این نیز در سال 1396/ 2017 ادعا کرده بود تا پایان سال به این فناوری دست پیدا خواهد کرد، اما در پایان سال خبری از دستیابی به این فناوری بزرگ نبود. در این سال‌ها رقبای گوگل مانند اینتل، مایکروسافت و آی‌بی‌ام نیز تلاش‌هایی در جهت تولید رایانه‌های کوآنتومی با افزایش تعداد واحدهای کیوبیت (واحدهای تشکیل دهنده پردازنده‌های کوآنتومی) که در حقیقت دلیل قدرتمندی رایانه‌های کوآنتومی هستند، انجام دادند، اما با انتشار این خبر به نظر می‌رسد گوگل این بار توانسته به پیروزی بزرگی در برابر رقبایش برسد.
مأموریتی برای 2 غول بزرگ
جزئیات مقاله منتشرشده از گوگل نشان می‌دهد محققان برای تولید این رایانه از پردازنده کوآنتومی به نام «سیکامور» شامل 53 کیوبیت عملکردی استفاده کرده‌اند که توانسته یکی از مسائلی که به صورت تصادفی انتخاب شده و حلش برای ابررایانه قدرتمندی مانند سامیت ده هزار سال تخمین زده می‌شد را در 200 ثانیه حل کند. البته گوگل پس از برداشتن این مقاله از وبگاه ناسا، درست کمی پس از انتشار آن، دیگر به صورت رسمی در مورد آن صحبت نکرده و تقاضای خبرگزاری‌ها را نیز برای توضیح جزئیات بیشتر نپذیرفته است. به همین جهت هنوز نمی‌توان مطمئن بود که این ادعا از سوی متخصصان حوزه کوآنتوم نیز تأیید خواهد شد یا نه. حتی برخی از رسانه‌ها با مطرح‌کردن این موضوع که محاسبات انجام‌شده با این رایانه با کمک ابررایانه‌های امروزی ده هزار سال زمان نیاز دارد، صحت این محاسبات را با ابزارهای موجود غیرقابل اثبات می‌دانند.
گوگل در این طرح بزرگ تحقیقاتی با ناسا همکاری داشته که شاید کمی عجیب به نظر برسد، اما در حقیقت علت این همکاری به سال گذشته بازمی‌گردد که گوگل برای استفاده از ابررایانه‌های ناسا برای آزمون و مقایسه نتایج تحقیقات کوآنتومی‌اش ‌با ناسا تفاهم‌نامه‌ای را امضا کرد. نتایج منتشر‌شده در مقاله علمی نامبرده نیز براساس داده‌های به دست آمده برای حل مساله‌ای بسیار پیچیده با رایانه کوآنتومی و ابررایانه‌های ناسا، پیشرفته‌ترین رایانه‌های عصر حاضر، به دست آمده است. در مقاله منتشر شده به نقل از محققان این پروژه تحقیقاتی، رایانه کوآنتومی توانسته از پس حل کردن مساله پیچیده‌ای بربیاید که با هیچ رایانه دیگری تاکنون قابل حل نبوده است.
فعلا خبری از رایانه‌های کوآنتومی در بازار نیست!
داریو گیل، از محققان شرکت رایانه‌ای آی‌بی‌ام که مطالعاتش در زمینه تولید رایانه‌های کوآنتومی است، معتقد است این دستاورد که البته هنوز جزئیات آن به خوبی مشخص نیست در خصوص حل محاسبات بسیار تخصصی بوده و الزاما به این معنی نیست که دستاورد گوگل می‌تواند پاسخگوی تمام محاسبات باشد. به نظر این متخصص کوآنتوم قرار نیست هیچ‌وقت رایانه‌های کوآنتومی جایگزین رایانه‌های سنتی شوند، بلکه هر یک از آنها وظایف و محاسبات ویژه‌ای را بر اساس ظرفیت‌ها و ویژگی‌های منحصربه‌فردی که دارند به خوبی انجام خواهند داد و همچنان رایانه‌های رایج کنونی برای انجام برخی مأموریت‌ها بهترین ابزار خواهند بود.
بنابراین انتشار این خبر به این معنی نیست که خیلی زود شاهد روانه شدن رایانه‌های کوآنتومی به بازار و جایگزینی آنها به جای رایانه‌های امروزی خواهیم بود، بلکه در حقیقت گوگل توانسته با این ضربه، در‌ها را به سوی دوران جدید محاسبات کوآنتومی بگشاید که آغازی برای تحولی بسیار عظیم به شمار می‌رود. محاسبات کوآنتومی این امکان را فراهم می‌کنند که مسائلی که حلشان در رایانه‌های رایج تقریبا ناممکن بوده، در مدت بسیار کوتاهی حل شوند، اما همچنان این فناوری مستعد خطاهای بسیار است؛ زیرا هر تغییر کوچک ناخواسته‌ای در شرایط فیزیکی پردازنده‌ها مانند تغییر دما یا لرزشی بسیار اندک می‌تواند عملکرد کیوبیت‌ها را به‌طور کامل مختل کند. به همین دلیل، هنوز تلاش محققان برای ساخت سخت‌افزارهایی مقاوم‌تر، با قابلیت کنترل بیشتر و توسعه با تعداد زیاد واحدهای پردازنده ادامه دارد و هنوز سال‌های زیادی با رایانه‌های کوآنتومی که بتوانند مشکلات متعدد را به آسانی حل کنند فاصله داریم.
گوگل در حال حاضر پیشروترین شرکت در زمینه فناوری‌های کوآنتومی است، اما تا زمانی که جزئیات کامل این دستاورد منتشر نشود، نمی‌توان فهمید بشر تا چه حد توانسته برمحدودیت‌های سخت‌افزاری رایانه‌های کوآنتومی غلبه کند و فناوری مورد نیاز برای تولید تجاری رایانه‌های کوآنتومی با تعداد بسیار زیاد پردازنده‌های کیوبیتی را به دست آورد! کسی چه می‌داند، شاید این خبر ادعای اولیه‌ای بوده که هنوز برای پخته‌ترشدن به زمان احتیاج دارد یا شاید در همین لحظه آینده دانش پردازش اطلاعات در دستان گوگل قرار دارد و پس از تشنه کردن ذهن‌های کنجکاو قرار است از آن به صورت رسمی رونمایی شود!

معادلات شرودینگر در پردازش اطلاعات

ماشین‌های کوآنتومی به دلیل استفاده از واحدهای کوآنتومی که به آنها کیوبیت گفته می‌شود، نسبت به رایانه‌های کنونی معماری و ساختار کاملا متفاوتی داشته و بسیار قدرتمندتر هستند. پردازنده‌های کنونی، برای حل مسائل، آنها را به واحدهایی به نام بیت تبدیل می‌کنند که بر مبنای دستگاه اعداد دودویی (binary numbers) عمل کرده و در هر لحظه می‌تواند یکی از مقادیر صفر یا یک را نشان دهد؛ در حالی که در پردازنده‌های کوآنتومی هر واحد که کیوبیت نام دارد، مانند ذرات زیراتمی از قوانین کوآنتومی تبعیت کرده و می‌تواند در هر لحظه هم صفر و هم یک باشد. بر همین اساس رایانه‌های کوآنتومی مقادیر بسیار بالایی از داده‌ها را به صورت همزمان پردازش می‌کنند در حالی که پردازنده‌های کنونی باید این اطلاعات را به صورت زنجیره‌ای و یکی پس از دیگری پردازش کنند. این توانایی مهیج می‌تواند سرعت پیشرفت فناوری را به‌شدت افزایش دهد. اما به دلیل دشواری حفظ خاصیت کوآنتومی کیوبیت‌ها در مدت زمان بالا، پیشرفت و توسعه این فناوری با سرعت بسیار زیادی همراه نبوده است.

به گفته یکی از متخصصان کوآنتوم دانشگاه ام‌آی‌تی ایالات متحده، اهمیت محاسبات کوآنتومی در پیشرفت فناوری مانند اهمیت اختراع اولین هواپیما توسط برادران رایت است! بنابراین توسعه این دانش می‌تواند پیشرفت‌های بسیار وسیعی را در حوزه‌های مختلف علمی از کشف داروها و مواد و ترکیبات شیمیایی برای صنایع گوناگون، رمزنگاری، مدلسازی مولکولی و همچنین قدرتمندتر کردن هرچه بیشتر هوش مصنوعی ایجاد کند. البته احتمالا تا رسیدن به زمانی که به چنین پردازنده پرقدرتی برای پردازش داده‌های بسیار کلان نیاز باشد، زمان زیادی پیش رو داشته باشیم. در حقیقت گرچه این فناوری می‌تواند سرعت پیشرفت علم را چند برابر کند، اما از آنجا که دانش کنونی بشر نیز هنوز نتوانسته چنین حجم عظیمی از داده‌ها را به وجود آورد، شاید اهمیت توسعه رایانه‌های کوآنتومی هنوز برایمان کاربردی و ملموس نباشد.

فراز سهیلی‌آزاد

دانش