فهرست مطالب
پژوهشگران ژاپنی نخستین کامپیوتر کوانتومی فولاستک مبتنی بر اتم خنثی این کشور را با نام Shunkai راهاندازی کردهاند.
به گزارش سرویس کامپیوتر و موبایل تکناک، این سیستم در دمای اتاق کار میکند و توسعهدهندگان قصد دارند ظرفیت آن را تا مارس ۲۰۳۱ به ۱۰ هزار کیوبیت فیزیکی افزایش دهند.
Shunkai نخستین سیستم کوانتومی فولاستک از این نوع در ژاپن محسوب میشود. این سیستم همه لایههای نرمافزاری، کنترلی و سختافزاری مورد نیاز برای دریافت ورودی کاربر، انجام محاسبات و ارائه نتیجه را در اختیار دارد. چنین معماری یکپارچهای میتواند استفاده عملی از کامپیوتر کوانتومی را برای پژوهشگران سادهتر کند.
تیم توسعهدهنده این پروژه قصد دارد طی سالهای آینده، بخشی از ظرفیت Shunkai را در اختیار پژوهشگران خارج از مجموعه قرار دهد. این گروهها میتوانند از سیستم برای توسعه برنامههای کاربردی، بررسی روشهای اصلاح خطای کوانتومی و آزمایش تواناییهای معماری مبتنی بر اتم خنثی استفاده کنند.
همچنین پژوهشگران برنامه دارند Shunkai را به یک مرکز ابررایانشی مشترک موجود متصل کنند. هدف از این اقدام، ایجاد یک مرکز محاسباتی ترکیبی است که پردازندههای گرافیکی و سیستم کوانتومی را در کنار یکدیگر به کار میگیرد.
بیشتر بخوانید: اولین کامپیوتر کوانتومی تجاری جهان در آمریکا راهاندازی شد
چالش خطا در کامپیوترهای کوانتومی
کامپیوترهای کوانتومی برخلاف کامپیوترهای کلاسیک بر اساس قوانین فیزیک کوانتومی کار میکنند. واحد اصلی اطلاعات در این سیستمها «کیوبیت» نام دارد. کیوبیتها میتوانند در قالب مدارهای ابررسانا، یونهای به دام افتاده، فوتونها یا فناوریهای دیگری ساخته شوند.
هر کیوبیت میتواند حالت صفر، یک یا ترکیبی از هر دو حالت را به صورت همزمان داشته باشد. این ویژگی که با مفهوم «برهمنهی» شناخته میشود، یکی از عوامل اصلی تفاوت پردازش کوانتومی با پردازش کلاسیک است.
با وجود این، کیوبیتها بسیار حساس هستند و حتی اختلالهای کوچک محیطی میتوانند اطلاعات ذخیرهشده در آنها را بیثبات کنند. به همین دلیل، نرخ خطا یکی از مهمترین مشکلات فعلی در مسیر توسعه کامپیوترهای کوانتومی محسوب میشود.
برآوردها نشان میدهد نرخ خطا در کیوبیتها حدود یک خطا در هر هزار عملیات است. این در حالی است که در سیستمهای کلاسیک، نرخ خطا میتواند به حدود یک مورد در هر یک میلیارد یا حتی یک تریلیون عملیات برسد.
این اختلاف قابل توجه باعث شده است بخش بزرگی از تحقیقات حوزه رایانش کوانتومی به اصلاح خطای کوانتومی اختصاص پیدا کند. پژوهشگران در این حوزه تلاش میکنند اطلاعات را به شکلی ذخیره کنند که ایجاد خطا در تعداد محدودی از کیوبیتها، کل محاسبه را از بین نبرد.
هدف نهایی این تحقیقات، ساخت کیوبیتهای باکیفیتتر و افزایش تعداد آنها در یک سیستم است. پژوهشگران امیدوار هستند در نهایت کامپیوترهای کوانتومی بتوانند در برخی محاسبات با سریعترین ابررایانههای جهان رقابت کنند.
بیشتر بخوانید: کامپیوتر کوانتومی میتواند رمزنگاری بیتکوین را در ۲۶ روز بشکند
استفاده از اتمهای خنثی و انبرکهای نوری
کامپیوتر کوانتومی Shunkai ژاپن برای کاهش برخی محدودیتهای رایج کامپیوترهای کوانتومی، از رویکرد متفاوتی استفاده میکند. این سیستم بهجای مدارهای ابررسانای فوقسرد، اتمهای خنثی را به عنوان کیوبیت به کار میگیرد.
اتمها با استفاده از «انبرکهای نوری» به دام میافتند و در موقعیت مشخص نگه داشته میشوند. انبرکهای نوری در واقع پرتوهای لیزری بسیار متمرکزی هستند که میتوانند اتمها را درون یک محفظه خلأ به دام بیندازند و آرایش آنها را تغییر دهند.
پژوهشگران پس از تنظیم موقعیت اتمها، با استفاده از امواج مایکروویو یا نور لیزر حالتهای کوانتومی آنها را کنترل میکنند. محاسبات نیز با تغییر همین حالتهای کوانتومی انجام میشود.
نتیجه محاسبه در پایان با بررسی فلورسانس هر اتم خوانده میشود. یک دوربین میتواند وضعیت تکتک اتمها را مشاهده کند و اطلاعات نهایی سیستم را استخراج نماید.
یکی از مهمترین مزیتهای این معماری، امکان فعالیت در دمای اتاق است. بسیاری از کامپیوترهای کوانتومی مبتنی بر مدارهای ابررسانا برای فعالیت به سیستمهای خنککننده پیچیده نیاز دارند. این نیاز، طراحی و نگهداری چنین سیستمهایی را دشوار و پرهزینه میکند.
استفاده از اتمهای خنثی این محدودیت را تا حدی کاهش میدهد و به Shunkai اجازه میدهد بدون استفاده از مدارهای ابررسانای فوقسرد فعالیت کند.
همچنین پژوهشگران میتوانند نحوه قرارگیری کیوبیتها را هنگام اجرای محاسبات تغییر دهند. این قابلیت به آنها اجازه میدهد مشخص کنند کدام کیوبیتها با یکدیگر تعامل داشته باشند.
این ویژگی امکان ایجاد درهمتنیدگی میان جفتهای مختلف کیوبیتها را نیز فراهم میکند. درهمتنیدگی یکی از پدیدههای مهم فیزیک کوانتومی است و نقش اساسی در اجرای بسیاری از الگوریتمهای کوانتومی دارد.
بیشتر بخوانید: ژاپن از کامپیوتر کوانتومی بومی خود رونمایی کرد
هدف ۱۰ هزار کیوبیت برای کامپیوتر کوانتومی ژاپن
کامپیوتر کوانتومی Shunkai در مرحله نخست با حدود ۵۰ کیوبیت فعالیت خواهد کرد. تیم توسعهدهنده قصد دارد در مرحله بعدی ظرفیت سیستم را به حدود ۵۰۰ کیوبیت افزایش دهد.
هدف اصلی پروژه در مقیاس بسیار بزرگتری تعریف شده است. پژوهشگران میخواهند تا مارس ۲۰۳۱ این سیستم را به یک کامپیوتر کوانتومی بزرگمقیاس، پربازده و مقاوم در برابر خطا تبدیل کنند.
نسخه نهایی مورد نظر آنها باید ۱۰ هزار کیوبیت فیزیکی داشته باشد و از قابلیتهای شناسایی و اصلاح خطای کوانتومی پشتیبانی کند. توسعه چنین سیستمی میتواند امکان آزمایش روشهای پیشرفتهتر اصلاح خطا و اجرای محاسبات پیچیدهتر را فراهم کند.
اگر پروژه طبق برنامه پیش برود، تعداد کیوبیتهای Shunkai از آرایه ۶۱۰۰ کیوبیتی مبتنی بر اتم خنثی که پژوهشگران مؤسسه فناوری کالیفرنیا در اکتبر ۲۰۲۵ نمایش دادند، بیشتر خواهد شد.
مؤسسههای ملی علوم طبیعی ژاپن اعلام کردهاند که بخشی از ظرفیت این کامپیوتر در اختیار پژوهشگران خارجی قرار خواهد گرفت. این پژوهشگران میتوانند برنامههای جدید توسعه دهند و قابلیتهای شناسایی و اصلاح خطای کوانتومی سیستم را ارزیابی کنند.
نام Shunkai از هارومی شیبوکاوا، اخترشناس ژاپنی قرن هفدهم گرفته شده است. توسعهدهندگان این سیستم معتقد هستند معماری مبتنی بر اتم خنثی میتواند به یکی از مسیرهای مهم توسعه نسل آینده کامپیوترهای کوانتومی تبدیل شود.
اوهموری نیز اعلام کرده است که کامپیوترهای کوانتومی مبتنی بر اتم خنثی در سالهای اخیر توجه زیادی در سراسر جهان به خود جلب کردهاند. به گفته او، این فناوری میتواند از برخی محدودیتهای معماریهای ابررسانا عبور کند.
او راهاندازی نخستین کامپیوتر کوانتومی فولاستک ژاپن با این معماری را اقدامی بسیار مهم توصیف کرده است. تیم پروژه اکنون قصد دارد همزمان با افزایش تعداد کیوبیتها، قابلیتهای اصلاح خطا و کاربردهای عملی Shunkai را نیز توسعه دهد.
