کامپیوترهای کوانتومی برخلاف کامپیوترهای معمولی فقط به یک تراشه سریعتر و حافظه بیشتر احتیاج ندارند. بعضی از پیشرفتهترین آنها باید در محیطی نگهداری شوند که دمایش به کسری از یک درجه بالاتر از صفر مطلق برسد. IBM حالا برای ساخت نسل بزرگتر این کامپیوترها، سراغ یخچالهای عظیمی رفته که میتوانند دما را به کمتر از ۱۵ میلیکلوین برسانند؛ یعنی حدود ۱۸۰ برابر پایینتر از دمای پسزمینه کیهانی.
یخچال کوانتومی چیست و چرا به آن نیاز داریم؟
برای اینکه بفهمیم چرا IBM چنین یخچال عظیمی ساخته، باید اول بدانیم کامپیوترهای کوانتومی چگونه کار میکنند. در کامپیوترهای معمولی، اطلاعات با بیتهایی شامل صفر و یک پردازش میشود، اما کامپیوترهای کوانتومی از «کیوبیت» استفاده میکنند که بر پایه قوانین مکانیک کوانتومی کار میکند.
یکی از رایجترین روشهای ساخت کیوبیت، استفاده از مدارهای ابررساناست. این مدارها برای حفظ رفتار کوانتومی خود باید در دماهای فوقالعاده پایین، در حد چند هزارم درجه بالاتر از صفر مطلق، کار کنند. به همین دلیل، پردازنده کوانتومی داخل یک سامانه سرمایشی موسوم به «سیستم کرایوژنیک» قرار میگیرد.
این سامانه در واقع فقط یک یخچال نیست؛ مجموعهای از تجهیزات سرمایشی، محفظه خلأ و سپرهای حرارتی است که محیطی فوقسرد و پایدار برای کیوبیتها فراهم میکند. هرچه تعداد کیوبیتها بیشتر شود، تأمین این سرمای شدید و مدیریت سیمها و تجهیزات کنترلی هم دشوارتر خواهد شد؛ مشکلی که IBM حالا میخواهد با معماری جدید خود حل کند.
کامپیوتر کوانتومی بزرگتر، یخچال بزرگتر و سردتر میخواهد
حالا مشکل جدید IBM از همینجا شروع میشود. ساخت یک سیستم برای چند کیوبیت یا یک پردازنده کوانتومی یک مسئله است، اما وقتی قرار باشد تعداد کیوبیتها به صدها و هزاران عدد برسد، دیگر نمیتوان صرفاً همان طراحی قبلی را بزرگتر کرد. سیمهای بیشتری برای کنترل و خواندن کیوبیتها لازم است، پردازندههای بیشتری باید در کنار یکدیگر قرار بگیرند و همه اینها باید در همان محیط فوقسرد به کار خود ادامه دهند.
به همین دلیل IBM در حال آزمایش نسل جدیدی از سیستمهای سرمایشی است که برخلاف یخچالهای کوانتومی معمول، از ابتدا برای ماژولار شدن و اتصال چند بخش به یکدیگر طراحی شدهاند.
یخچالی که از اعماق فضا هم سردتر است
تیم طراح IBM در این یخچال که ناتیلوس نامیده شده، دو ماژول سرمایشی جدید خود را به یکدیگر متصل کرده و توانسته است دمای محیط کاری آنها را به کمتر از ۱۵ میلیکلوین برساند. این عدد برابر با فقط ۰٫۰۱۵ درجه کلوین است؛ دمایی که تقریباً هیچ شباهتی به مفهوم معمول ما از واژه «سرد» ندارد.
برای درک بهتر این عدد باید اشاره کنیم که دمای پسزمینه کیهانی حدود 2.7 کلوین است؛ تابش بسیار ضعیفی که (احتمالاً) از انفجار اولیه کیهان یا همان بیگ بنگ به جا مانده و تقریباً تمام فضا را فرا گرفته است. حالا تصور کنید که این دما که پس از بیش از 13 میلیارد سال و گستردهتر شدن کیهان حاصل شده نیز 180 برابر بیشتر از دمای یخچال جدید کوانتومی یا دمای کاری سیستم IBM است.
البته این به معنی آن نیست که IBM برای نخستین بار توانسته به چنین دمایی برسد. دستیابی به دماهای چند میلیکلوینی در سامانههای کوانتومی ابررسانا موضوع تازهای نیست و پیش از این نیز اهداف پژوهشی بسیاری آن را ثبت کرده و به آن رسیدهاند. اما نکته جالب در سیستم جدید IBM، مقیاس و معماری آن است: دو محیط فوقسرد که میتوانند به یکدیگر متصل شوند و فضای بیشتری برای تجهیزات و سیمکشی مورد نیاز یک کامپیوتر کوانتومی بزرگ فراهم کنند است که اوج هنر مهندسان و طراحان IBM را به ما نشان میدهد.
چرا IBM به یخچال کوانتومی احتیاج دارد؟
در یک کامپیوتر معمولی، اگر بخواهیم تعداد هستههای پردازنده یا ترانزیستورها را افزایش دهیم، مسئله اصلی تا حد زیادی به طراحی تراشه، مصرف انرژی، انتقال گرما و ارتباطات داخلی مربوط میشود. در کامپیوتر کوانتومی، داستان پیچیدهتر است.
هر کیوبیت باید کنترل و خوانده شود و این کار به تعداد زیادی اتصال الکتریکی نیاز دارد. این اتصالات باید از بخشهای گرمتر سیستم به سمت محیطی حرکت کنند که دمایش تنها چند هزارم درجه بالاتر از صفر مطلق است. بنابراین با افزایش تعداد کیوبیتها، مسئله فقط پیدا کردن فضای بیشتر روی تراشه نیست؛ خود سیستم سرمایشی هم باید بتواند این حجم عظیم از اتصالات را مدیریت کند.
IBM برای حل این مشکل، بهجای اینکه یک محفظه واحد و غولپیکر بسازد، ساختار سرمایشی را به سلولهای جداگانه تقسیم کرده است. این سلولها میتوانند در کنار هم قرار بگیرند و از طریق اتصالدهندههایی مانند L-coupler، پردازندههای کوانتومی قرارگرفته در آنها را به یکدیگر مرتبط کنند.
هر سلول حدود ۲٫۷۵ مترمکعب فضای محفظه خلأ و حدود ۰٫۵۳ مترمربع فضای مخصوص سیمکشی در اختیار میگذارد. IBM میگوید فضای سیمکشی این طراحی تا ۱۲ برابر بیشتر از سیستمهای کوانتومی متداول این شرکت است.
این افزایش فضا شاید روی کاغذ چندان هیجانانگیز به نظر نرسد، اما وقتی صحبت از هزاران کیوبیت و تعداد بسیار زیادی خط کنترل باشد، میتواند تفاوت میان یک نمونه آزمایشگاهی و یک معماری قابل توسعه باشد.
این یخچالها قرار است چه چیزی را سرد نگه دارند؟
هدف IBM ساخت یک یخچال فوقسرد بهعنوان محصولی مستقل نیست. این سیستم قرار است زیرساخت لازم برای نسل بعدی کامپیوترهای کوانتومی این شرکت را فراهم کند.
IBM قصد دارد با استفاده از این معماری، چند پردازنده کوانتومی را به یکدیگر متصل کند. هدف اعلامشده شرکت برای سال ۲۰۲۷، ساخت سیستمی با حداقل ۱۰۰۰ کیوبیت قابل برنامهریزی است. در مراحل بعدی، IBM میخواهد همین ایده را به سیستمهای بسیار بزرگتری برساند که از چندین پردازنده و تعداد بسیار بیشتری کیوبیت تشکیل شدهاند.
اما نکته فنی اینجاست که بدانیم، افزایش تعداد کیوبیتها بهتنهایی برای ساخت یک کامپیوتر کوانتومی کاربردی کافی نیست. کیوبیتها به دلیل حساسیت بالا مستعد خطا هستند و برای رسیدن به محاسبات قابل اتکا، باید از روشهای تصحیح خطای کوانتومی استفاده شود. این کار به تعداد زیادی کیوبیت فیزیکی برای ساخت کیوبیتهای منطقی مقاومتر در برابر خطا نیاز دارد.
در نتیجه، کامپیوتر کوانتومی آینده احتمالاً بیشتر از آنکه شبیه یک پردازنده بسیار بزرگ باشد، به یک مجموعه از پردازندهها و تجهیزات کنترلی متصل به هم شباهت خواهد داشت. یخچالهای ماژولار IBM قرار است محیط لازم برای همین معماری را فراهم کنند.
اگر IBM و دیگر شرکتهای فعال در این حوزه بتوانند مشکل مقیاسپذیری و تصحیح خطا را حل کنند، کامپیوترهای کوانتومی میتوانند در مسائلی مورد استفاده قرار بگیرند که شبیهسازی آنها با کامپیوترهای کلاسیک بسیار دشوار است؛ از بررسی رفتار مولکولها و طراحی مواد جدید گرفته تا برخی مسائل پیچیده علمی و صنعتی.
اما هنوز فاصله قابل توجهی میان سیستمهای کوانتومی امروزی و یک کامپیوتر کوانتومی واقعاً مقاوم در برابر خطا وجود دارد. یخچال جدید IBM این فاصله را یکشبه از بین نمیبرد.
نظر خود را اضافه کنید.
برای ارسال نظر وارد شوید
ارسال نظر بدون عضویت در سایت