یکی از فناوری هایی که اخیرا خیلی سرو صدا کرده است، کامپیوترهای کوانتومی می‌باشد. احتمالا در اخبارها و یا شبکه های اجتماعی از پیشرفت کامپیوترهای کوانتومی و سرعت پردازش آنها شنیده‌اید. در سال های کنونی، شرکت های رده اول جهان نمونه‌ای از اینکامپیوتر را برای خود ساخته‌اند و الگوریتمهای مختلفی را توسط آنها با موفقیت اجرا کرده‌اند. با این حال دانشمندان و مهندسان علم فیزیک و کامپیوتر درگیر بسیاری از چالش‌های مربوط به پردازش های کوانتومی هستند که هنوز راهی برای حل این چالش‌ها و مشکلات نیافته‌اند. در این مقاله به مهم‌ترین چالش های پیش‌روی کامپیوتر کوانتومی می‌پردازیم. چالش‌هایی که نیاز است تا توسط محققان حل شود قبل از اینکه کامپیوترهای کوانتومی بتوانند به‌طور روزمره در حل مسائل مختلف مانند تشخیص و درمان بیماری‌ها، اکتشافات و موارد دیگر مورداستفاده قرار گیرند.
چرا کامپیوترهای کوانتومی این‌قدر چالش برانگیزند؟
کامپیوترهای کوانتومی یک انقلابی در صنعت تکنولوژی است و رویکرد ما را برای ذخیره داده‌ها و پردازش آنها بهطورکلی تغییر داده است. برای پردازش و ذخیره داده‌ها، به‌جای استفاده از بیت معمولی (بیت کامپیوترهای کلاسیک) از کیوبیت (Qubit) استفاده میشود. رفتار و خاصیت کیوبیت‌ها در مقایسه با بیت‌های کلاسیک کمی عجیب است! کیوبیت‌ها قادر هستند در حالت برهم‌نهی یا سوپر پوزیشن (Superposition) قرار گیرند؛ یعنی درآن‌واحد می‌توانند چندین مقدار داشته باشند؛ همچنین دارای خاصیت درهم‌تنیدگی یا (Entanglement) هستند که به ما اجازه پردازش موازی را می‌دهد. همین ویژگی‌ها باعث میشود تا کامپیوترهای کوانتومی نسبت به کامپیوترهای کلاسیک در بعضی از مسائل بسیار سریعتر عمل کنند، مسائلی مانند جستجو و تجزیه ی اعداد.
با این حال، پردازش کوانتومی دارای چالش‌های بسیار زیادی می‌باشد. بزرگترین مشکل کامپیوترهای کوانتومی، عدم انسجام کیوبیت ها یا Decoherence است. کیوبیت‌ها به‌شدت به محیط اطرافشان حساس هستند و حتی کوچکترین خللی باعث میشود تا آنها خاصیت کوانتومی بودنشان را از دست بدهند؛ همچنین سخت افزارهای مربوط به پردازش کوانتومی و الگوریتمهای پیچیده آنها از دیگر مشکلات کامپیوترهای کوانتومی است.
مهم‌ترین مشکلات کامپیوترهای کوانتومی
در این قسمت هشت تا از مهم‌ترین مشکلات و چالش‌های پیش‌روی کامپیوترها و پردازش‌های کوانتومی را بررسی می‌کنیم.
1- به‌وجودآمدن خطا
بسیاری از متخصصین حوزه کوانتوم، مشکل خطا در کامپیوترهای کوانتومی را بزرگترین چالش برای کامپیوترهای کوانتومی می‌دانند. همان‌طور که گفته شد، کامپیوترهای کوانتومی به‌شدت تحت‌تأثیر محیط اطرافشان قرار می‌گیرند و بسیار به نویز حساس هستند. همین امر باعث به‌وجودآمدن Error در حین پردازش میشود. برای حل این مشکل نیاز است تا توسعه‌دهندگان یک تکنیکی برای تصحیح خطاهای به وجود آمده طراحی کنند.
2- مقیاس‌پذیری
کامپیوترهای کوانتومی که تاکنون ساخته شده‌اند، قادر هستند تا بسیاری از وظیفه‌های محول شده به آنها را به‌طور قابل‌ملاحظه‌ای سریعتر و با پرفورمنس بالاتری انجام دهند. بااین‌حال تعداد این کامپیوترها خیلی کمتر از کامپیوترهای کلاسیک است. ساخت کامپیوتر کوانتومی با ظرفیت صدها و هزاران کیوبیت درحالی‌که از انسجام کافی برخوردار باشد و تعداد خطاهای کمی داشته باشد هنوز به‌صورت یک چالش اساسی باقی‌مانده است و راه‌حلی برای آن وجود ندارد.
3- توسعه سخت‌افزارهای مخصوص
کامپیوترهای کوانتومی دارای سخت‌افزارهای مخصوص خودش است. طراحی و توسعه سخت‌افزارهایی باکیفیت بالا برای کار با کیوبیت‌ها و کنترل آنها، یکی از مشکلات پیش‌روی توسعه کامپیوترهای کوانتومی است. در حال حاضر تکنولوژی‌های مختلفی برای کار با کیوبیت‌ها وجود دارد که هرکدام نقاط ضعف و قدرت خودشان را دارند. توسعه این سخت‌افزارها مخصوصاً در تعداد بالا و با تحمل‌پذیری خطای بالا، یکی از چالش‌هایی است که اخیراً توجه بسیاری از محققین را به خود جلب کرده است.
4- توسعه نرم‌افزار
الگوریتمهای کوانتومی، نرم‌افزارها و ابزارهای کوانتومی هنوز در مراحل اولیه خود قرار دارند؛ بنابراین برای اینکه بتوانیم به‌طور گسترده از کامپیوترهای کوانتومی استفاده کنیم، نیاز است تا زبان‌های برنامه‌نویسی، کامپایلر (Compiler)ها و ابزارهای جدیدی تولید شود تا بتوانیم به‌طور کارآمد از کامپیوترهای کوانتومی بهره‌مند شویم.
5- ارتباط با کامپیوترهای کلاسیک
کامپیوترهای کوانتومی جایگزین کامپیوترهای کلاسیک نمی‌شوند. قصدشان هم جایگزینی نیست؛ بلکه قرار است به‌عنوان یک تکنولوژی مکمل مورداستفاده قرار گیرند. یکی از چالش‌هایی که در سال‌های اخیر مقالات مختلفی در مورد آن به چاپ رسیده است، توسعه متدهای کارآمد و قابل‌اعتماد برای انتقال داده‌ها بین کامپیوترهای کلاسیک و کامپیوترهای کوانتومی است. این امر برای تولید نرم‌افزارها موردنیاز است.
6- استانداردها و پروتکل‌ها
همان‌طور که احتمالاً می‌دانید، استانداردهای بسیار زیادی برای کامپیوترهای کلاسیک و ارتباط آنها وجود دارد و هر ساله به تعداد آنها نیز اضافه میشود. باتوجه‌به پیشرفت پردازش‌های کوانتومی، نیاز است تا پروتکل‌ها و استانداردهایی برای سخت‌افزار، نرم‌افزار و ارتباط بین کامپیوترهای کوانتومی ایجاد شوند. توسعه این استانداردها باعث میشود تا ارتباط و همکاری بین پلت‌فرم‌های مختلف محاسبات کوانتومی با اطمینان و سازگاری همراه باشد؛ همچنین یکی از موارد مهم در مباحث کامپیوتری، بنچمارکینگ (Benchmarking) می‌باشد. به‌وسیله بنچمارکیگ می‌توان پرفورمنس و کارایی سخت‌افزارها و یا هر چیز دیگر را اندازه‌گیری کرد. قابلیت بررسی کارایی کامپیوترهای کوانتومی هنوز در مراحل اولیه قرار دارد و فعلاً جای کار دارد.
7- افراد متخصص در حوزه کوانتوم
مبحث کوانتوم، مبحث بسیار پیچیده و سختی است و نیازمند دانش قوی در علم کوانتوم است. متأسفانه افراد تحصیل‌کرده و فعال در این حوزه بسیار کم هستند. پیداکردن افراد وارد در این حوزه خودش به یک چالش تبدیل شده است. در اینجا داستان مرغ و تخم‌مرغ هم مطرح میشود؛ نمی‌توانیم تعداد افرادی که به حوزه کوانتوم علاقه‌مند هستند را افزایش دهیم مگر اینکه تعداد کامپیوترهای کوانتومی به‌اندازه کافی بالا باشد تا افراد را به این سمت سوق دهیم؛ همچنین نمی‌توانیم تعداد کامپیوترهای کوانتومی زیادی تولید کنیم مگر اینکه تعداد افراد علاقه‌مند به این حوزه افزایش پیدا کنند.
8- هزینه تمام شده
احتمالاً باتوجه به مشکلاتی که بالاتر مطرح شد، مشکل هزینه یک مشکل بدیهی به‌نظر برسد. هزینه تولید کامپیوترهای کوانتومی بسیار بالا است و نگهداری از آن نیز مشکلات خودش را دارد؛ بنابراین کسی نمی‌تواند مثل لری پیج (سازنده گوگل) در یک گاراژ شروع به کار با کامپیوترهای کوانتومی کند و موفق شود. تقریباً می‌توان گفت تمامی مسائل مربوط به کامپیوترهای کوانتومی در مقایسه با کامپیوتر کلاسیک گران‌تر تمام میشود. ذخیره داده، تولید سخت‌افزار و نرم‌افزار، نگهداری، تعمیر و...
آیا این چالش‌ها حل‌شدنی هستند؟
چالش‌هایی که در این مقاله مطرح شد ترسناک نیستند! انسان‌ها همیشه با چالش‌های زیادی در طول تاریخ همراه بودند، به‌خصوص در عرصه تکنولوژی. باتوجه به اینکه کامپیوترهای کوانتومی بسیاری از مسائل را می‌توانند به‌طور عجیبی حل کنند، در نتیجه دولت‌ها وارد این عرصه شدند و بودجه‌های کلانی را برای پیشرفته این حوزه اختصاص داده‌اند. هر روزه محققین، به پیشرفت صنعت کامپیوترهای کوانتومی با تحقیقات و مقالات خودشان کمک میکنند و امیدوارند تا در آینده نزدیک بتوانند از مزایای این کامپیوترها بهره‌مند شوند.
جمع‌بندی
کامپیوترهای کوانتومی هنوز در مراحل ابتدایی به سر می‌برد و برای ورود به بازار و استفاده‌های تجاری از آن، راه زیادی را در پیش داریم. چالش‌های زیادی پیش روی کامپیوترهای کوانتومی قرار دارد که محققین در عرصه‌‌هایی مختلف مانند علوم کامپیوتر و فیزیک کوانتوم در حال کار بر روی آنها هستند. در این مقاله به مهم‌ترین مشکلات و چالش‌های پیش روی کامپیوترهای کوانتومی پرداختیم و در مورد آنها توضیح مختصری دادیم.
آیا کامپیوترهای کوانتومی قابلیت استفاده دارند؟
با توجه به اینکه توسعه کامپیوترهای کوانتومی مراحل اولیه تولید را سپری میکنند، در نتیجه در حال حاضر تنها شرکتهای رده اول عرصه تکنولوژی قادر به ساخت و نگهداری این کامپیوترها هستند.
آیا کامپیوترهای کوانتومی هر الگوریتمی را سریعتر اجرا میکند؟
خیر. مبحث الگوریتم در کامپیوترهای کوانتومی بهطورکلی با کامپیوترهای کلاسیک فرق میکند. الگوریتمهای کامپیوترهای کوانتومی تنها مخصوص پردازش کوانتومی است و از پیچیدگی نسبتاً بالایی برخوردار است.
