چه زمانی می‌توانیم از بازار کامپیوتر کوانتومی بخریم؟

رایانش کوانتومی، که زمانی محدود به نظریه‌های پیچیده فیزیک و محافل تحقیقاتی پیشرفته بود، اکنون به یکی از چالش‌برانگیزترین موضوعات فناوری‌های نوین تبدیل شده است. سوال اساسی این است که آیا این فناوری انقلابی به زودی قادر خواهد بود محاسباتی را انجام دهد که حتی پیشرفته‌ترین ابررایانه‌های کلاسیک نیز در برابر آن‌ها ناتوان‌اند؟ در این میان، گوگل با ارائه پیش‌بینی‌ای جسورانه مبنی بر تحقق رایانش کوانتومی تجاری ظرف پنج سال آینده، مرزهای انتظار را جابه‌جا کرده است. هارتموت نون، مدیر پروژه هوش مصنوعی کوانتومی گوگل، اعلام کرده که این شرکت به توسعه کاربردهای عملی این فناوری در آینده‌ای نزدیک بسیار خوش‌بین است.

تمایز بنیادین رایانش کوانتومی با رایانش کلاسیک

کامپیوترهای کلاسیک بر پایه مدل فون نویمان عمل می‌کنند، جایی که داده‌ها به صورت دنباله‌ای از بیت‌های دودویی (۰ و ۱) پردازش می‌شوند. اما در رایانش کوانتومی، واحد پردازش داده‌ها کیوبیت (Qubit) است که برخلاف بیت‌های کلاسیک، می‌تواند به طور همزمان در برهم‌نهی (Superposition) از حالت‌های صفر و یک قرار گیرد. این ویژگی، به رایانه‌های کوانتومی این امکان را می‌دهد که حجم عظیمی از محاسبات را به صورت موازی انجام دهند، که منجر به افزایش نمایی توان پردازشی می‌شود.

در همین رابطه بخوانید:

- همه چیز درباره رایانش کوانتومی و کاربردهای فوق‌العاده‌ای که باید منتظر آنها باشیم

علاوه بر برهم‌نهی، ویژگی درهم‌تنیدگی کوانتومی (Quantum Entanglement) به کیوبیت‌ها اجازه می‌دهد تا به صورت آنی با یکدیگر ارتباط برقرار کنند، به طوری که تغییر وضعیت یک کیوبیت بلافاصله بر وضعیت کیوبیت دیگر تأثیر می‌گذارد، حتی اگر فاصله زیادی میان آن‌ها باشد.

این خصوصیات، رایانش کوانتومی را به ابزاری بی‌بدیل در حل مسائل پیچیده‌ای مانند شبیه‌سازی سیستم‌های کوانتومی در علم مواد، مدل‌سازی برهم‌کنش‌های مولکولی در صنعت داروسازی، و حل مسائل بهینه‌سازی ترکیبیاتی در مقیاس‌هایی می‌کند که با رایانش کلاسیک غیرممکن است.

در همین رابطه بخوانید:

- آیا پردازنده کوانتومی گوگل Willow می‌تواند رمزنگاری بیت کوین را بشکند؟

چشم‌انداز پنج‌ساله گوگل: جهش به کاربردهای تجاری

بنابر گزارش وبگاه علمی Earth.com، هارتموت نون در این خصوص اظهار داشت:

ما اطمینان داریم که در پنج سال آینده، شاهد کاربردهای دنیای واقعی خواهیم بود که تنها از طریق رایانش کوانتومی قابل انجام هستند.

به عنوان مثال، توسعه الگوریتم‌های کوانتومی برای حل مسائل بهینه‌سازی و شبیه‌سازی مواد می‌تواند به طراحی باتری‌های پیشرفته برای خودروهای برقی یا کشف داروهای جدید منجر شود. الگوریتم‌هایی مانند شبیه‌سازی کوانتومی همیلتونی‌ها (Hamiltonian Simulation) و الگوریتم‌های بهینه‌سازی کوانتومی (QAOA) از جمله روش‌هایی هستند که در آینده نزدیک می‌توانند جایگزین روش‌های کلاسیک شوند.

همچنین، رمزنگاری کوانتومی و توسعه الگوریتم‌های پساکوانتومی (Post-Quantum Cryptography) یکی دیگر از زمینه‌های حیاتی است که در صورت تحقق پیش‌بینی‌های گوگل، شاهد دگرگونی در آن خواهیم بود. با افزایش توان پردازش رایانه‌های کوانتومی، سیستم‌های رمزنگاری کلاسیک مانند RSA و ECC که بر اساس سختی محاسباتی تجزیه به عوامل اول و مسائلی نظیر آن بنا شده‌اند، در معرض خطر قرار خواهند گرفت. بنابراین، توسعه استانداردهای رمزنگاری مقاوم در برابر تهدیدات کوانتومی به یک اولویت اساسی تبدیل شده است.

چالش‌های پیش رو: پایداری کیوبیت‌ها و خطاهای محاسباتی

با وجود این خوش‌بینی‌ها، موانع فنی قابل توجهی بر سر راه توسعه رایانش کوانتومی تجاری وجود دارد. کیوبیت‌ها به دلیل ماهیت کوانتومی خود، به شدت در برابر نویز محیطی و تداخلات خارجی حساس هستند. دکوهرنس (Decoherence) یا از دست رفتن انسجام کوانتومی، یکی از چالش‌های اصلی در پایداری کیوبیت‌ها است. برای غلبه بر این مشکل، محققان به توسعه کدهای تصحیح خطای کوانتومی (Quantum Error Correction Codes) روی آورده‌اند که با استفاده از تکنیک‌هایی مانند کدهای سطحی (Surface Codes) و کدهای توپولوژیکی، سعی در کاهش خطاهای محاسباتی دارند.

علاوه بر این، فناوری فعلی نیازمند فریزرهای فوق‌سرد (Dilution Refrigerators) است تا کیوبیت‌ها را در دمایی نزدیک به صفر مطلق نگه دارد، که چالش‌هایی در مقیاس‌پذیری این سیستم‌ها ایجاد می‌کند. به عنوان مثال، رایانه‌های کوانتومی گوگل از کیوبیت‌های ابررسانا (Superconducting Qubits) استفاده می‌کنند که نیاز به محیطی کاملاً کنترل‌شده دارند. در کنار این، معماری‌های جایگزینی مانند کیوبیت‌های یون به دام افتاده (Trapped Ion Qubits) و کیوبیت‌های مبتنی بر نقطه‌های کوانتومی (Quantum Dots) نیز در دست تحقیق هستند، اما هر کدام با چالش‌های منحصر به فردی روبه‌رو هستند.

دلیل تردید برخی کارشناسان نسبت به جدول زمانی گوگل

اگرچه گوگل پیش‌بینی می‌کند که ظرف پنج سال به کاربردهای عملی دست خواهد یافت، برخی از متخصصان این حوزه معتقدند که این زمان‌بندی بیش از حد خوش‌بینانه است. جنسن هوانگ، مدیرعامل انویدیا، در سخنرانی خود در ژانویه ۲۰۲۴ اظهار داشت:

اگر بگویید ۱۵ سال... این احتمالاً باز هم خوش‌بینانه است.

بسیاری از کارشناسان بر این باورند که مشکلات مربوط به پایداری کیوبیت‌ها، تصحیح خطا، و تأمین مالی مداوم، زمان بیشتری برای دسترسی به رایانش کوانتومی تجاری طلب خواهد کرد.

کاربردهای عملی و تاثیرات بالقوه در صنعت

یکی از بزرگ‌ترین امیدها برای رایانش کوانتومی، شبیه‌سازی دقیق سیستم‌های مولکولی است. در حالی که رایانه‌های کلاسیک برای شبیه‌سازی رفتار الکترون‌ها در مولکول‌های پیچیده نیاز به تقریب‌های فراوان دارند، رایانه‌های کوانتومی می‌توانند این تعاملات را به‌صورت طبیعی و دقیق مدل‌سازی کنند. این امر می‌تواند فرآیند کشف دارو را سرعت بخشد و هزینه‌های مرتبط با آن را کاهش دهد.

در صنعت خودروهای الکتریکی، رایانش کوانتومی می‌تواند به بهینه‌سازی طراحی باتری‌ها از طریق شبیه‌سازی مواد آند و کاتد کمک کند، به طوری که انرژی بیشتری ذخیره شود و طول عمر باتری افزایش یابد. همچنین، در حوزه بهینه‌سازی زنجیره تأمین و تخصیص منابع، الگوریتم‌های کوانتومی می‌توانند راه‌حل‌هایی سریع‌تر و کارآمدتر ارائه دهند.

نقش دولت‌ها و استارت‌آپ‌ها در پیشبرد رایانش کوانتومی

ایالات متحده، چین و اتحادیه اروپا سرمایه‌گذاری‌های گسترده‌ای در این حوزه انجام داده‌اند تا در رقابت فناوری کوانتومی پیشرو باشند. این سرمایه‌گذاری‌ها نه تنها به توسعه سخت‌افزار و نرم‌افزارهای کوانتومی کمک می‌کند، بلکه به تربیت نسل جدیدی از متخصصان رایانش کوانتومی نیز منجر خواهد شد. از سوی دیگر، استارت‌آپ‌ها با تمرکز بر توسعه نرم‌افزارهای کوانتومی و پردازنده‌های کوانتومی کوچک‌تر، به عنوان محرک‌هایی در این اکوسیستم نقش‌آفرینی می‌کنند و پل ارتباطی بین تحقیقات دانشگاهی و کاربردهای تجاری هستند.

چه زمانی می‌توانیم از بازار کامپیوتر کوانتومی بخریم؟

با توجه به پیشرفت‌های سریع در حوزه رایانش کوانتومی، این سؤال مطرح می‌شود که چه زمانی این فناوری از آزمایشگاه‌ها و مراکز تحقیقاتی به بازار مصرف‌کنندگان راه پیدا خواهد کرد. در حالی که شرکت‌هایی مانند گوگل و IBM افق‌های روشنی را برای عرضه محصولات تجاری در بازه‌ی زمانی پنج تا ده سال آینده ترسیم می‌کنند، اما چندین چالش فنی و زیرساختی هنوز در مسیر این فناوری قرار دارد.

چالش‌های سخت‌افزاری

کامپیوترهای کوانتومی نیازمند محیط‌هایی با دمای نزدیک به صفر مطلق و شرایط کنترل‌شده‌ی مغناطیسی و الکترومغناطیسی هستند تا پایداری کیوبیت‌ها حفظ شود. طراحی و تولید پردازنده‌های کوانتومی مقاوم در برابر نویز (Fault-tolerant Quantum Processors) و کاهش نرخ خطا در عملیات‌های کوانتومی، از بزرگ‌ترین موانع ورود این سیستم‌ها به بازار عمومی است.

زیرساخت‌های نرم‌افزاری و کاربردی

رایانش کوانتومی نیازمند توسعه زبان‌های برنامه‌نویسی خاص مانند Q# و Qiskit است که هنوز به بلوغ کامل نرسیده‌اند. همچنین، بهره‌گیری از این فناوری در صنایع مختلف مانند داروسازی، رمزنگاری و طراحی مواد پیشرفته مستلزم طراحی الگوریتم‌های کوانتومی بهینه است که بتوانند مشکلات واقعی را بهتر از سیستم‌های کلاسیک حل کنند.

مسائل اقتصادی و دسترسی عمومی

در کوتاه‌مدت، احتمالاً رایانش کوانتومی از طریق سرویس‌های ابری کوانتومی (Quantum Cloud Services) مانند IBM Quantum Experience در دسترس خواهد بود. این بدان معناست که کاربران و شرکت‌ها می‌توانند بدون نیاز به خرید سخت‌افزارهای پیچیده، از طریق اینترنت به قدرت محاسباتی کوانتومی دسترسی پیدا کنند. اما خرید مستقیم سخت‌افزارهای کوانتومی برای کاربران خانگی، به دلیل هزینه‌های سرسام‌آور تولید و نگهداری، در آینده نزدیک بعید به نظر می‌رسد.

در همین رابطه بخوانید:

- اینترنت کوانتومی چیست و چرا کشورهای پیشرفته به دنبال آن هستند؟

زمان‌بندی ورود کامپیوترهای کوانتومی به بازار

کارشناسان پیش‌بینی می‌کنند که کاربردهای تجاری رایانش کوانتومی در صنایع خاص ظرف پنج سال آینده به بهره‌برداری برسند، اما دستگاه‌های کوانتومی شخصی حداقل تا ۱۵ سال آینده به بازار مصرف‌کنندگان عادی عرضه نخواهند شد. در این بازه، تمرکز بیشتر بر روی رایانش کوانتومی به‌عنوان سرویس (QCaaS) خواهد بود.

در نهایت، همان‌طور که هوش مصنوعی مسیر خود را از آزمایشگاه‌ها به ابزارهای روزمره باز کرد، رایانش کوانتومی نیز با گذشت زمان و حل چالش‌های فنی، به یکی از ارکان اصلی فناوری‌های آینده تبدیل خواهد شد. اما هنوز راهی طولانی تا ورود آن به زندگی روزمره کاربران باقی مانده است.

اولین کامپیوتر کوانتومی عرضه شده در بازار

رایانه کوانتومی SpinQ یکی از معدود نمونه‌های رایانه‌های کوانتومی رومیزی است که توسط شرکت SpinQ Technology، مستقر در شنژن چین، توسعه یافته و در سال 2022 به بازار عرضه شد. این دستگاه که برای اهداف آموزشی و تحقیقاتی طراحی شده، به کاربران این امکان را می‌دهد تا با مفاهیم بنیادی رایانش کوانتومی آشنا شوند و الگوریتم‌های ساده را پیاده‌سازی کنند.

ویژگی‌ها و مشخصات کامپیوتر کوانتومی اسپینک

SpinQ از فناوری رزونانس مغناطیسی هسته‌ای (NMR) بهره می‌برد، که به جای نیاز به دماهای فوق سرد (مانند سیستم‌های مبتنی بر کیوبیت‌های ابررسانا)، از میدان‌های مغناطیسی برای کنترل وضعیت کیوبیت‌ها استفاده می‌کند. این امر باعث می‌شود دستگاه در دمای اتاق کار کند، اما در مقایسه با رایانه‌های کوانتومی پیشرفته، از نظر قدرت محاسباتی محدودتر باشد.

نسخه‌های اولیه این دستگاه دارای قدرت محاسباتی ۲ یا ۳ کیوبیت هستند، که برای اجرای الگوریتم‌های ساده کوانتومی مانند الگوریتم دیچ‌گروت (Deutsch–Jozsa) یا جست‌وجوی گروور (Grover's Algorithm) مناسب است.

SpinQ بیشتر در مراکز آموزشی، دانشگاه‌ها و لابراتوارهای تحقیقاتی به کار می‌رود و برای آموزش مفاهیم پایه مانند درهم‌تنیدگی کوانتومی و گیت‌های کوانتومی طراحی شده است.

قیمت و دسترسی

قیمت SpinQ بسته به مدل و امکانات ارائه شده متغیر است. مدل‌های ابتدایی مانند SpinQ Gemini با قیمت حدود ۵۰۰۰ دلار عرضه شده‌اند، در حالی که مدل‌های پیشرفته‌تر می‌توانند تا ۵۰ هزار دلار نیز قیمت داشته باشند. این قیمت نسبت به رایانه‌های کوانتومی پیشرفته‌ای که میلیون‌ها دلار هزینه دارند، بسیار مقرون‌به‌صرفه‌تر است، اما محدودیت‌های فنی آن‌ها باعث می‌شود برای کاربردهای صنعتی یا تجاری مناسب نباشند.

محدودیت‌های کامپیوتر کوانتومی اسپینگ

در حالی که SpinQ یک ابزار آموزشی ارزشمند است، اما به دلیل محدودیت در تعداد کیوبیت‌ها و نرخ خطای بالا، نمی‌تواند جایگزین رایانه‌های کوانتومی پیشرفته مانند سیستم‌های گوگل یا IBM شود. همچنین، فناوری NMR امکان گسترش‌پذیری به مقیاس‌های بالاتر را ندارد، که یکی از چالش‌های اصلی در مسیر پیشرفت این دستگاه محسوب می‌شود.

قیمت کامپیوتر کوانتومی چقدر خواهد بود؟

اگرچه رایانه‌های کوانتومی هنوز در مراحل تحقیق و توسعه قرار دارند، اما پیش‌بینی‌ها حاکی از آن است که قیمت نسخه‌های مصرفی این فناوری در ابتدا بسیار بالا خواهد بود. برآوردها نشان می‌دهد که رایانه‌های کوانتومی اولیه برای مصارف تجاری کوچک و متوسط ممکن است قیمتی بین ۵ تا ۱۰ میلیون دلار داشته باشند.

با این حال، مشابه روند نزولی قیمت‌ها در فناوری‌های نوظهور مانند رایانه‌های کلاسیک و تلفن‌های همراه، انتظار می‌رود طی ۱۰ تا ۱۵ سال آینده و با پیشرفت در مقیاس‌پذیری کیوبیت‌ها و کاهش هزینه تولید، قیمت این دستگاه‌ها به مرور کاهش یابد. همچنین، همانطور که در بخش‌های قبلی این مقاله عنوان شد، شرکت‌هایی مانند گوگل و IBM به‌دنبال ارائه رایانش کوانتومی به‌عنوان سرویس (QCaaS) از طریق فضای ابری هستند که می‌تواند دسترسی به این فناوری را برای کاربران بیشتری با هزینه‌های کمتر و به صورت اشتراکی فراهم کند.

جمع‌بندی: مسیر پرچالش اما امیدوارکننده

اگرچه رایانش کوانتومی هنوز با چالش‌های متعددی روبه‌رو است، اما پیش‌بینی جسورانه گوگل می‌تواند محرکی برای تسریع تحقیقات و نوآوری در این حوزه باشد. حتی اگر تحقق این پیش‌بینی بیش از پنج سال طول بکشد، مسیر پیش رو بدون شک تأثیرات عمیقی بر صنایع مختلف، از داروسازی و انرژی گرفته تا امنیت سایبری و فناوری اطلاعات خواهد گذاشت. رایانش کوانتومی در آستانه ورود به مرحله‌ای است که می‌تواند مرزهای علم و فناوری را به شکل بی‌سابقه‌ای جابه‌جا کند.