مایکروسافت از Majorana 1 رونمایی کرد؛ اولین پردازنده کوانتومی که راه را برای رایانش میلیون کیوبیتی باز می‌کند

مایکروسافت اخیرا از پردازنده کوانتومی خود به نام Majorana 1 رونمایی کرد، تراشه‌ای که کمک بزرگی به ساخت کامپیوترهای کوانتومی خواهد کرد. به گفته مایکروسافت معماری خاص این پردازنده می‌تواند مسیر را برای ساخت سیستم‌های میلیون کیوبیتی هموارتر کند و در آینده نیز مشکلاتی مانند تجزیه آلودگی‌های پلاستیکی و ساخت مواد خود ترمیم شونده را برطرف کند. برای جزئیات بیشتر، با شهر سخت افزار همراه شوید.

حل دو مشکل اصلی در رایانش کوانتومی به کمک Majorana 1

با اینکه رایانش کوانتومی سال‌هاست که به عنوان آینده پردازش شناخته می‌شود، اما موانع زیادی در مسیر رسیدن به این فناوری وجود دارد. یکی از این مشکلات ثبات کیوبیت‌ها و مقیاس پذیری سیستم‌ها است. اما هر کدام از این مشکلات دقیقا چطور به وجود آمده‌اند؟

کیوبیت (Qubit) در رایانش کوانتومی معادل بیت در کامپیوترهای کلاسیک است، اما این دو یک تفاوت اساسی دارند و آن هم این است که کیوبیت‌ها می‌توانند همزمان در چندین حالت کوانتومی قرار بگیرند. یعنی هم صفر باشند هم یک. اما مشکل اینجاست که کیوبیت‌ها به شدت به نویز و اختلالات محیطی حساس هستند و تغییرات دمایی، تشعشات الکترومغناطیسی و حتی لرزش‌های کوچک می‌تواند باعث از بین رفتن اطلاعات ذخیره شده در کیوبیت‌ها شود که به دکوهرنس کوانتومی (Quantum Decoherence) معروف است.

حالا پردازنده جدید مایکروسافت با کیوبیت‌های توپولوژیکی طراحی شده که در آن کیوبیت‌ها اطلاعات را به صورت غیر محلی ذخیره می‌کنند. به زبان ساده‌تر نویز روی آن‌ها تاثیر کمتری دارد و در نتیجه ثبات کیوبیت‌ها بیشتر خواهد بود.

مشکل بعدی افزایش تعداد کیوبیت‌ها در یک پردازنده است. در کامپیوترهای کلاسیک اگر بخواهید توان پردازش را افزایش دهید، کافی است تعداد ترانزیستورها را بیشتر کنید. اما در رایانش کوانتومی، این کار به‌شدت پیچیده است، زیرا هرچه تعداد کیوبیت‌ها بیشتر شود، کنترل و همگام‌سازی آن‌ها سخت‌تر می‌شود.

مشکل اصلی این است که اتصال کیوبیت‌ها به یکدیگر نیاز به یک معماری پیشرفته با کمترین خطای ممکن دارد. بیشتر پردازنده‌های کوانتومی امروزی در مقیاس چند ده تا چند صد کیوبیت کار می‌کنند، اما برای رسیدن به  قدرت واقعی کوانتومی مثل طراحی دارو یا مسائل پیچیده‌تر به حداقل یک میلیون کیوبیت پایدار نیاز داریم.

مایکروسافت برای حل این مشکل از یک روش دیجیتالی برای کنترل کیوبیت‌ها استفاده کرده که به جای تنظیمات آنالوگ از پالس‌های دیجیتالی مقاوم در برابر خطا کمک می‌گیرد. به صورت کلی این روش باعث می‌شود که اضافه کردن کیوبیت‌های بیشتر آسان‌تر شود و شاید بتوان در آینده به مقیاس میلیون کیوبیتی نزدیک شد.

پردازنده‌ Majorana 1 چگونه کار می‌کند؟

با توجه به گزارشی که در وب سایت Techpowerup منتشر شده است، در قلب پردازنده Majorana 1 ترکیبی از مواد ایندیم آرسنید و آلومینیوم وجود دارد که به آن تاپوکندکتور (Topoconductor) می‌گویند. تاپوکوندکتور در حقیقت ترکیبی از دو ساختار نیمه رسانا و ابررسانا است که کمک می‌کند روی کیوبیت‌های توپولوژیکی کنترل دقیق‌تری داشته باشیم. مایکروسافت ادعا می‌کند که این ماده نه جامد است، نه مایع و نه گاز، بلکه یک حالت توپولوژیکی کاملا جدید است.

این حالت به Majorana 1 کمک می‌کند که مقاومت بیشتری در برابر نویزها و خطاها داشته باشد و بتواند از پالس‌های دیجیتال برای کاهش خطا استفاده کند. علاوه بر این، اضافه کردن کیوبیت‌های بیشتر به این پردازنده نیز بسیار آسان‌تر خواهد بود.

پردازنده جدید مایکروسافت از از کدهای اصلاح خطای کوانتومی مانند Hastings-Haah Floquet codes و ladder codes استفاده می‌کند. این کدها کمک می‌کنند که تشخیص و اصلاح خطاها آسان‌تر باشند.

همکاری با DARPA و هدف یک میلیون کیوبیت

مایکروسافت برای اثبات کارایی این فناوری، با آژانس پروژه‌های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی ایالات متحده (DARPA) در برنامه US2QC همکاری می‌کند. نتایج این همکاری نشان داده که استراتژی جدید هزینه‌های پردازشی را کاهش می‌دهد و مقیاس‌پذیری را هم بهبود می‌بخشد.

مایکروسافت می‌خواهد کامپیوترهای کوانتومی را به سطحی برساند که در مراکز ابری (Azure) قابل استفاده باشند. موضوع این است که بیشتر کامپیوترهای کوانتومی، آزمایشی و بسیار بزرگ هستند و برای خنک سازی تجهیزات خاصی احتیاج دارند. در این بین فناوری جدید مایکروسافت که همانطور که گفتیم مبتنی بر کیوبیت‌های توپولوژیکی است می‌تواند سیستم‌های یک میلیون کیوبیتی را در ابعاد کوچک طراحی کند تا بتوان آن را در سرور ابری قرار داد.

این یعنی ابرکامپیوترهای کوانتومی دیگر نیازی به اتاق‌های مخصوص و تجهیزات بسیار بزرگ نخواهند داشت و می‌توانند به‌عنوان بخشی از سرویس‌های ابری مایکروسافت (Azure) در دسترس کاربران قرار بگیرند. این یک تغییر بزرگ در دنیای محاسبات کوانتومی است، چرا که استفاده از این فناوری را برای شرکت‌ها و پژوهشگران بسیار ساده‌تر و در دسترس‌تر می‌کند.

کاربردهای عملی پردازنده جدید مایکروسافت

قسمت هیجان‌انگیز ماجرا اینجاست که Majorana 1 فقط یک نوآوری علمی نیست و مایکروسافت می‌خواهد از آن برای حل مشکلات واقعی در زمینه‌های محیط زیست، کشاورزی و مهندسی موارد استفاده کند.

یکی از اهداف این پردازنده، کمک به طراحی کاتالیزورهای جدید است، کاتالیزورهایی که می‌توانند آلاینده‌های خطرناک مانند میکروپلاستیک‌ها را تجزیه کنند. همچنین، می‌توان از این فناوری برای بهینه‌سازی آنزیم‌ها استفاده کرد تا محصولات کشاورزی چند برابر شوند.

علاوه بر این، دانشمندان می‌توانند مواد جدیدی را شبیه‌سازی و طراحی کنند که ویژگی‌های منحصر‌به‌فردی داشته باشند، موادی مثل مواد خودترمیم ‌شونده یا فوق‌رساناهای پیشرفته.

همچنین، مایکروسافت می‌خواهد این پردازنده‌ی کوانتومی را با هوش مصنوعی و سرویس‌های ابری ترکیب کند تا محاسباتی که در حالت عادی ممکن است دهه‌ها طول بکشند، در طی چند روز یا حتی چند ساعت انجام شود.

حالا باید دید چقدر طول می‌کشد تا مایکروسافت به هدف جاه‌طلبانه‌ی خود یعنی ساخت یک رایانه‌ی کوانتومی یک میلیون کیوبیتی دست پیدا کند. با اینکه آینده‌ی این فناوری بسیار هیجان‌انگیز است، اما هنوز چالش‌های بزرگی در پیش دارد.