ساخت و تجاری‌سازی کامپیوتر کوانتومی را می‌توان نفس‌گیرترین رقابت در دنیای کامپیوترها دانست که غول‌های دنیای تکنولوژی را درگیر خود کرده است. هر روز اخبار تازه‌ای درباره کامپیوتر کوانتومی منتشر می‌شود که می‌تواند به ساخت سریع‌تر آن کمک کند. در یکی از تازه‌ترین پژوهش‌ها، محققان دانشگاه بریستول کشف کردند که کامپیوتر کوانتومی باید علاوه بر نقاط قوت قبلی یک سری خصوصیات جدید نیز داشته باشد تا بتواند از همتایان کلاسیکی خود پیشی بگیرد. نتایج این پژوهش در مجله Nature Physics منتشر شده است، با کاوش الکترو همراه باشید…

کامپیوتر کوانتومی، دستگاهی است که بر اساس قوانین مکانیک کوانتوم کار می‌کند و به دلیل بهره‌گیری از قوانین کوانتومی مثل برهم نهی و همدوسی ، کارایی بالایی در حل مسائل پیچیده‌ی ریاضیاتی و فیزیکی دارد. گروه‌های تحقیقاتی زیادی در دانشگاه‌ها و شرکت‌های برجسته، از جمله گوگل، مایکروسافت و IBM در تلاشند کامپیوتر کوانتومی را زودتر از رقبا بسازند. البته موفقیت چشم‌گیری در این زمینه، حاصل نشده که علت آن نیز به «تکینگی محاسبات کوانتومی» بر‌می‌گردد.

تکینگی محاسباتی یک مشکل پیچیده است. ابرکامپیوتر های قدرتمند امروزی، به صدها سال زمان برای پیدا کردن راه حل آن نیاز دارند، در حالی که یک کامپیوتر کوانتومی می‌تواند در عرض چند دقیقه این مسئله پیچیده را حل کند. در حال حاضر تیمی از دانشمندان بریستول کشف کرده‌اند که می توان این مشکل را با الگوریتم‌های کلاسیکی جدیدی مورد بررسی قرار داد.

این نتایج به یک الگوریتم کوانتومی بسیار معتبر‌ به نام نمونه برداری بوزونی، اعمال می شود. این الگوریتم برای نشان دادن برتری محاسبات کوانتومی بر محاسبات کلاسیکی طراحی شده است. این الگوریتم از محاسبات موازی حاصله از قوانین کوانتومی استفاده می کند. مسئله نمونه برداری بوزونی توسط فوتون (ذرات نور) کنترل شده در تراشه های نوری که در آزمایشگاه‌های مهندسی و تکنولوژی کوانتوم بریستول (QETLabs)  طراحی گردیده، حل شده است. پیش‌بینی مسیر حرکت فوتون‌هایی که از تراشه نوری بزرگ خارج می شوند، یک محاسبه بسیار سخت و با استفاده از نظریه ماتریس تصادفی است.

به نظر می‌رسد با پیشرفت سریع فناوری‌های کوانتومی، آزمایش نمونه‌برداری بوزونی که در آن تکینگی محاسباتی کوانتومی ظاهر می‌شود، قابل اجرا باشد.  با این حال، تیم تحقیقاتی بریستول توانست الگوریتم قدیمی کلاسیک را برای شبیه سازی نمونه برداری بوزونی از نو طراحی کند که این امر منجر به نتایج چشمگیری شد. سرپرست این تیم تحقیقاتی می‌گوید:

بازطراحی این الگوریتم مثل تبدیل یک هواپیمایی مسافربری قدیمی به یک جت فوق سریع است. ما در حال حاضر در یک لحظه تاریخی قرار داریم که هنوز الگوریتم های کلاسیکی در برابر الگوریتم های کوانتومی حرفی برای گفتن دارند. ما انتظار داریم این الگوریتم‌ها کارآمدتر نیز شوند. چنین شاهکاری با کمک تیمی از دانشمندان، ریاضیدانان، و برنامه نویسان امکان پذیر است.

یک متخصص الگوریتم‌های کلاسیکی چندین الگوریتم را برای حل مسئله نمونه برداری بوزونی باز‌‌‌طراحی نمود که در میان آنها الگوریتمی که مبتنی بر روش نمونه‌برداری مستقل متروپولیس بود، بیشترین کارایی را داشت. کد شبیه‌سازی توسط یکی از محققان برنامه‌نویس تیم، بهینه شده است. در ادامه‌ی کار، یک ریاضیدان حوزه محاسبات پیچیده، مسئله را بازتر کرد و دانشجویان بریستول زمینه عملیاتی شدن آن را با استفاده از  تکنولوژی فوتونیک کوانتومی فراهم کردند.

جالب است بدانید در قلب این پروژه، یک دانشجوی جوان دوره دکتری بنام الکس نویل قرار دارد که به تنهایی تک تک الگوریتم‌ها را آزمایش، اجرا و نتایج خروجی را تحلیل کرده است. او می گوید تاکنون بزرگترین آزمایش نمونه برداری بوزونی برای پنج فوتون گزارش شده؛ در صورتی که باور عموعی بر این است  که استفاده از ۲۰ تا ۳۰ فوتون برای نشان دادن برتری محاسبات کوانتومی، کافی است. با این حال او توانست نمونه برداری بوزونی  را برای ۲۰ فوتون به لطف الگوریتم جدید در لپ‌تاپ خود شبیه‌سازی کند و با استفاده از سرورهای اداری، شبیه‌سازی را به ۳۰ فوتون افزایش دهد! به گفته الکس با دسترسی به ابرکامپیوترهای امروزی می‌توانیم نمونه‌برداری بوزونی را با ۵۰ فوتون شبیه‌سازی کنیم.

این تحقیق در بریستول، دریچه‌ی تازه‌ای به روی کامپیوترهای کوانتومی می‌‌گشاید. دانشگاه بریستول رویای بلند پروازانه‌ای در سر دارد: محققان سعی دارند تکنولوژی کوانتومی را از آزمایشگاه خارج کرده و به عنوان ابزاری مفید برای مقابله با مشکلات جامعه امروز در اختیار همگان قرار دهند. این مرکز علاوه بر همکاری با شرکت‌هایی همچون مایکروسافت، گوگل و نوکیا، شروع به  فعالیت های جدید کسب کار مبتنی بر فناوری کوانتومی کرده است. به تازگی دکتر مونتانارو و پروفسور لیندن از دانشکده ریاضیات، یک گروه پژوهشی متمرکز بر مطالعه در زمینه محاسباتی کوانتومی سازماندهی کرده‌اند. در گردهمایی بررسی نمونه برداری بوزونی که طی یک هفته به همت دانشگاه بریستول برگزار شد، افرادی از دانشگاه و صنعت حضور داشتند و بحث‌های داغی مطرح کردند. دانشمندان این تیم امیدوارند با بازطراحی الگوریتم های کلاسیکی کامپیوترهای کلاسیکی بتوانند در صحنه رقابت باقی بمانند هر چند ساخت این الگوریتم ها مدت زیادی به طول بیانجامد. آنها می‌گویند:

اکنون ما با یک ایده جامع از چالش تکنولوژیکی روبرو هستیم، چرا که باید نشان دهیم کامپیوتر کوانتومی در عمل از همتای کلاسیکی خود توانمندتر است. برای نمونه برداری بوزونی، تکینگی فقط برای بیش از ۵۰ فوتون حاصل می‌شود. این امر کار را سخت‌تر می‌کند چرا که در حال حاضر چنین امکان آزمایشگاهی در دست نیست تا بتوان از قدرت کامپیوترهای کلاسیکی اطمینان حاصل کرد.