بهره وری بالای انرژی ؛ قدرت مخفی رایانه‌های کوانتومی

رایانه‌های کوانتومی اخیراً به دلیل پتانسیل بالا برای حل مسائل در چند ساعت نظرها را به خود جلب کرده‌اند و بهره وری قابل توجه انرژی آنها نیز می تواند کارایی شان را چندین برابر کند.

به گزارش تکناک، کاربردهای واقعی آنها از طراحی دارو و مواد گرفته تا حل مسائل پیچیده و بهینه سازی را شامل می شود. بنابراین، آنها در درجه اول برای تحقیقات علمی و صنعتی در نظر گرفته شده اند.

با این حال، مسئله مصرف انرژی آن هم اکنون می‌تواند مستلزم تحقیق باشد، زیرا ابررایانه‌های فعلی گاهی به اندازه یک شهر کوچک برق مصرف می‌کنند که در واقع می‌تواند افزایش قدرت محاسباتی آنها را محدود کند).

طبق آمارهای موجود  فناوری اطلاعات، 11 درصد از مصرف جهانی برق در سال 2020 را به خود اختصاص داده است.

چرا روی مصرف انرژی کامپیوترهای کوانتومی تمرکز کنیم؟

از آنجایی که یک کامپیوتر کوانتومی می تواند مشکلات را در چند ساعت حل کند، در حالی که یک ابر کامپیوتر ممکن است چندین ده میلیارد سال طول بکشد، طبیعی است که انتظار داشته باشیم انرژی بسیار کمتری مصرف کند.

با این حال، ساخت چنین کامپیوترهای کوانتومی قدرتمندی مستلزم حل بسیاری از چالش‌های علمی و تکنولوژیکی است که به طور بالقوه در طول یک تا چند دهه تحقیق انجام می‌شود.

هدف ساده‌تر ایجاد رایانه‌های کوانتومی کم‌توان‌تر است که قادر به حل محاسبات در زمانی نسبتاً قابل مقایسه با ابر رایانه‌ها هستند، اما انرژی بسیار کمتری مصرف می‌کنند.

این مزیت انرژی بالقوه محاسبات کوانتومی قبلاً مورد بررسی قرار گرفته است. پردازنده کوانتومی Sycamore گوگل 26 کیلووات برق مصرف می کند که بسیار کمتر از یک ابر کامپیوتر است و یک الگوریتم کوانتومی آزمایشی را در چند ثانیه اجرا می کند.

پس از این آزمایش، دانشمندان الگوریتم‌های کلاسیکی را برای شبیه‌سازی الگوریتم کوانتومی ارائه کردند. اولین پیشنهادها برای الگوریتم های کلاسیک به انرژی بسیار بیشتری نیاز داشت  که به نظر می رسید مزیت انرژی محاسبات کوانتومی را نشان می دهد. با این حال، آنها به زودی با پیشنهادات دیگری که بسیار کارآمدتر در مصرف انرژی بودند، دنبال شدند.

بنابراین، مزیت انرژی هنوز قابل سؤال است و یک موضوع تحقیقاتی باز است، به ویژه از آنجایی که الگوریتم کوانتومی توسط که Sycamore انجام شده تا به امروز هیچ کاربرد مفید مشخصی ندارد.

برهم نهی: پدیده شکننده در قلب محاسبات کوانتومی

برای دانستن اینکه آیا می توان انتظار داشت که کامپیوترهای کوانتومی مزیت انرژی را ارائه دهند، لازم است قوانین اساسی که بر اساس آنها کار می کنند را درک کنیم.

کامپیوترهای کوانتومی برای انجام یک محاسبه، سیستم‌های فیزیکی به نام کیوبیت (برای بیت‌های کوانتومی) را دستکاری می‌کنند. یک کیوبیت می‌تواند دو مقدار داشته باشد: 0 (حالت پایه، حداقل انرژی) و 1 (حالت برانگیخته، حداکثر انرژی). همچنین می‌تواند برهم نهی 0 و 1 را اشغال کند. نحوه تفسیر برهم نهی‌ها هنوز موضوع بحث‌های داغ علمی است، اما، به بیان ساده، به این معنی است که کیوبیت می‌تواند هم در حالت 0 و هم در حالت 1 با دامنه های احتمال مربوطه باشد.

به لطف این احتمالات، می‌توانیم اصل کامپیوتر کوانتومی را با این گفته ساده‌تر کنیم که این کامپیوتر الگوریتم‌هایی را پیاده‌سازی می‌کند که محاسبات را روی چندین عدد «یک دفعه» انجام می‌دهند (در مورد، 0 و 1 به طور همزمان). این مزیت زمانی آشکار می شود که تعداد کیوبیت ها افزایش یابد: 300 کیوبیت در برهم نهی ها می تواند نشان دهنده 2 به توان 300 حالت به طور همزمان باشد. به عنوان مثال، این عدد تقریباً معادل تعداد اتم‌های موجود در جهان قابل مشاهده است بنابراین نمایش چندین حالت به طور همزمان در یک ابر رایانه کاملاً غیر واقعی است.

با این حال، مبانی تئوری کوانتومی به ما می‌گوید که اگر مقادیر این دامنه‌های احتمال توسط سیستم فیزیکی دیگری اندازه‌گیری شود، برهم‌نهی از بین می‌رود: کیوبیت برای مقدار 1 یا 0 آهسته می‌شود و در نتیجه یک خطا وارد محاسبه می‌شود.

یک مثال عینی از چنین تخریب زمانی است که کیوبیت یک فوتون (ذره ای از نور که بسته کوچکی از انرژی است) را جذب می کند. اگر موضوع این باشد، در حالت حداکثر انرژی خود نمیباشد (زیرا می تواند انرژی فوتون را جذب کند).  از طریق خود فوتون، و محیط اطراف کیوبیت، به طور غیرمستقیم مقدار دامنه ها مشخص میشود که برهم نهی را از بین می برد. به این می گویند “ناهمدوسی کوانتمی”.

به طور کلی، چالش این است که اطمینان حاصل شود که کیوبیت ها به اندازه کافی ایزوله هستند تا از هرگونه نشت اطلاعات جلوگیری شود: ما نمی توانیم اجازه دهیم یک فوتون یا ذره دیگر کیوبیت های ما را مختل کند. این یک چالش است زیرا کیوبیت ها نیز باید قابل کنترل باشند: آنها را نمی توان کاملاً ایزوله کرد.

این عدم حفاظت عامل اصلی خطا در محاسبات مبتنی بر کیوبیت است. برای مثال، یکی از کامل‌ترین فناوری‌های کیوبیت در هر 1000 عملیات با خطا مواجه می‌شود. وقتی در نظر بگیرید که برای یک الگوریتم کوانتومی معمولی 10 به توان13 عملیات  نیاز دارد، می توانید ببینید که این مقدار بسیار زیاد است.

حفظ برهم نهی هزینه بر است

هزینه انرژی محاسبات یک کامپیوتر کوانتومی بیشتر مربوط به “حفاظت از داده های کوانتومی” است. به عنوان مثال، اغلب لازم است که محیط کیوبیت را نزدیک به صفر مطلق (273- درجه سانتیگراد) قرار دهیم تا اطمینان حاصل شود که هیچ فوتونی در این محیط پر نشده است، و از مشکل ذکر شده در بالا اجتناب شود. این یک فرآیند بسیار انرژی بر است.

برخی از تکنیک های دیگر مانند تصحیح خطای کوانتومی نیز اطلاعات کوانتومی را حفظ می کنند و می توانند صحت عملیات را بهبود بخشند. با این حال، این تکنیک‌ها علاوه بر چالش‌هایی که مطرح می‌کنند، هزینه انرژی بسیار بالایی نیز به همراه دارند، زیرا شامل الگوریتم‌های تشخیص خطا، کیوبیت‌های اضافی برای تشخیص خطا و غیره می‌شوند.

به طور خلاصه، هر چه بخواهیم عملیاتی را با دقت بیشتری روی کیوبیت انجام دهیم، باید از آن محافظت بیشتری کنیم و انرژی بیشتری را صرف کنیم. ارتباط قوی بین «نرخ خطا» و «انرژی» در محاسبات کوانتومی وجود دارد. درک دقیق این پیوند ممکن است امکان طراحی یک کامپیوتر بسیار کم مصرف را فراهم کند.

آیا مزیت کوانتومی انرژی امکان پذیر است؟

برخی از مطالعات نظری توانسته‌اند هزینه انرژی لازم برای تحقق رایانه‌های کوانتومی را محاسبه کنند، اما در یک روش غیربهینه، به ویژه عدم بهره‌برداری از ارتباط بین نرخ خطا و انرژی، و اغلب با یک مدل ساده از رایانه.

بهره برداری از این پیوند می تواند منجر به بهینه سازی های قدرتمندی شود که هزینه انرژی الگوریتم ها را کاهش می دهد. در عمل، این نیاز به یک رویکرد بین رشته‌ای، از جمله درک پدیده‌های اساسی مانند: القای ناهمدوسی، مدل‌سازی الگوریتم‌ها و کدهای تصحیح خطای کوانتومی و همه بخش های مهندسی که برای کنترل کیوبیت‌ها لازم است. سپس می توان حداقل هزینه انرژی مورد نیاز برای حل مسائل مختلف را محاسبه کرد و در عین حال احتمال خطا را برای الگوریتم “قابل قبول” در نظر گرفت.

همانطور که دیدیم، برای کیوبیت‌های با کیفیت عالی (یعنی کیفیتی که امروزه در عمل هنوز در دسترس نیست)، وظایفی وجود دارد که کامپیوتر کوانتومی می‌تواند صد برابر کمتر از بهترین ابررایانه‌های کنونی برای زمان محاسبه (قابل مقایسه به این معنا که هر دو قادر به حل تکلیف در یک زمان معقول خواهند بود) انرژی مصرف کند. این افزایش انرژی ضریب ۱۰۰ نشان‌دهنده این است که: می‌توان با انجام بهینه‌سازی‌های اضافی صرفه‌جویی در انرژی بیشتری را تصور کرد.

این به این دلیل است که یک کامپیوتر کوانتومی از فرآیندهای که اساسا متفاوت از عملکرد خودش است محاسبه می‌کند: اولی کیوبیت‌ها و دومی بیت‌ها را دستکاری می‌کند. بنابراین، تعداد عملیات می تواند به شدت برای یک کار و حتی برای یک زمان محاسباتی متفاوت باشد. علاوه بر این، فرایندی که در یک رایانه کوانتومی انجام می‌شود، شامل فرآیندهای فیزیکی کاملاً متفاوت از آن‌هایی است که در یک ابر رایانه اجرا می‌شود. این دو نکته حاکی از آن است که، از نظر مفهومی، حتی در زمان محاسبات مساوی، حتی اگر یک عملیات منطق کوانتومی انرژی بیشتری نسبت به یک عملیات منطقی کلاسیک مصرف کند، تعداد کمتر عملیات منطق کوانتومی ممکن است به این معنی باشد که کامپیوتر کوانتومی در نهایت انرژی بسیار کارآمدتری خواهد داشت.

البته این مثال برگرفته از محاسبات نظری مبتنی بر فرضیه های بسیار خوش بینانه است. با این حال، به نظر می رسد که یکی از مزایای اصلی محاسبات کوانتومی مقدارمصرف انرژی آن قبل از توان محاسباتی اش باشد.