گوگل با معرفی تراشه جدید Willow اعلام کرده است که برای نخستین بار در جهان، یک «برتری کوانتومی قابلتأیید» را با سرعتی ۱۳ هزار برابر بیشتر از سریعترین ابررایانههای کلاسیک به دست آورده است.
به گزارش تکناک، این دستاورد توسط تیم Google Quantum AI و با استفاده از الگوریتمی نو به نام Quantum Echoes حاصل شده است؛ روشی که میتواند مسیر محاسبات کوانتومی را از مرحله آزمایشگاهی به کاربردهای واقعی نزدیکتر کند.
به گفته پژوهشگران گوگل، این الگوریتم در آینده میتواند در طراحی داروهای نوین، کاتالیزورها، پلیمرها و باتریهای پیشرفته نقش مهمی ایفا کند. هرچند این آزمایشها هنوز به سطح «برتری مطلق کوانتومی» نرسیدهاند، اما از دید محققان، این نتایج نقطه عطفی در حرکت به سوی کاربردهای عملی و صنعتی محاسبات کوانتومی به شمار میروند.
در این آزمایش، تیم تحقیقاتی گوگل با همکاری پژوهشگران دانشگاه برکلی از الگوریتم Quantum Echoes برای تحلیل مولکولی استفاده کرده است. آنان دو مولکول شامل ۱۵ و ۲۸ اتم را مورد بررسی قرار دادند.
نتایج کوانتومی حاصل نهتنها با دادههای حاصل از طیفسنجی NMR مطابقت داشت، بلکه جزئیات ساختاری تازهای را نیز آشکار کرد که با ابزارهای سنتی قابل مشاهده نبود. گوگل از این روش با عنوان «خطکش مولکولی» یاد میکند، زیرا قادر است فاصلهها و ساختارهایی را اندازهگیری کند که پیشتر فراتر از توان ابزارهای کلاسیک بودند.
الگوریتم جدید بر پایه شاخص قبلی گوگل یعنی Random Circuit Sampling ساخته شده است؛ همان الگوریتمی که نخستین بار برای نمایش پیچیدگی خام محاسبات کوانتومی به کار رفت. اما Quantum Echoes گامی فراتر نهاده و «قابلیت راستیآزمایی» را نیز افزوده است، بهگونهای که نتایج آن را میتوان بر روی رایانههای کوانتومی دیگر با کیفیت مشابه نیز بازتولید کرد — امکانی که تاکنون هیچ الگوریتم دیگری ارائه نداده بود.
کامپیوترهای کوانتومی به جای بیتهای معمولی از کیوبیتها (Qubits) استفاده میکنند؛ عناصری که قادرند اطلاعات را به صورت نمایی سریعتر پردازش کنند. هرچه تعداد کیوبیتها افزایش یابد، توان محاسباتی سیستم نیز چند برابر میشود. گوگل نخستین بار در سال ۲۰۱۹ با تراشه ۵۴ کیوبیتی خود به نام Sycamore خبرساز شد؛ تراشهای که مسئلهای را در ۲۰۰ ثانیه حل کرد که برای ابررایانهای کلاسیک حدود ۱۰ هزار سال طول میکشید.
در سال ۲۰۲۴ نیز تراشه Willow با ۱۰۵ کیوبیت، محاسبهای را انجام داد که بنا بر تخمینها برای ابررایانه Frontier حدود ۱۰ سپتیلیون سال زمان نیاز داشت. با این حال، منتقدان آن زمان استدلال کردند که این آزمایشها صرفاً بر مبنای یک روش تصادفی موسوم به Random Circuit Sampling انجام شده و فاقد کاربرد واقعی بودهاند.
تیم Google Quantum AI اکنون اعلام کرده است که الگوریتم جدید Quantum Echoes این مشکل را برطرف کرده و به مرحلهای از محاسبات رسیده که نه تنها سرعتی بیسابقه دارد بلکه نتایج آن قابل تأیید و تکرارپذیر است. در این آزمایش، گوگل با استفاده از ۶۵ کیوبیت از تراشه Willow توانسته است محاسبهای را ۱۳ هزار برابر سریعتر از بهترین الگوریتم کلاسیک روی ابررایانه Frontier اجرا کند. توماس اوبراین (Thomas O’Brien)، پژوهشگر ارشد گوگل، درباره اهمیت این پیشرفت میگوید: «جنبه کلیدی در این دستاورد، قابلیت تأیید دادههاست. اگر نتوانم ثابت کنم دادهها درست هستند، چگونه میتوانم از آنها استفاده کنم؟»
الگوریتم Quantum Echoes در سه مرحله کار میکند. ابتدا مجموعهای از عملیات کوانتومی مانند شبیهسازی رفتار یک مولکول انجام میشود. سپس یکی از کیوبیتها اندکی تغییر داده میشود و در نهایت همان عملیات اولیه به صورت معکوس تکرار میشود تا نتایج اولیه و نهایی مقایسه شوند.
این فرآیند رفتوبرگشتی، به پژوهشگران امکان میدهد تا اثر تغییرات کوچک بر کل سیستم مولکولی را مشاهده کنند؛ تغییری که حتی پیشرفتهترین ابررایانهها قادر به مدلسازی آن نیستند. اوبراین این پدیده را به «اثر پروانهای» تشبیه میکند؛ جایی که یک تغییر کوچک میتواند امواجی گسترده در سراسر سیستم ایجاد کند.
۱. اجرای مجموعهای از عملیات رو به جلو،
۲. ایجاد اختلال در یک کیوبیت،
۳. اجرای همان عملیاتها بهصورت معکوس،
۴. و در نهایت انجام اندازهگیری.
میشل دوورِه (Michel Devoret)، برنده جایزه نوبل و دانشمند ارشد سختافزار کوانتومی در گوگل، ظرفیت ۱۰۵ کیوبیتی تراشه Willow و نرخ خطای بسیار پایین ۰.۱ درصدی آن را عامل اصلی موفقیت این آزمایش میداند. به گفته اوبراین، تفاوت دقت دادهها نسبت به سال ۲۰۱۹ چشمگیر است: «در آن زمان تنها ۰.۱ درصد از دادهها صحیح بود، اما اکنون تنها ۰.۱ درصد از دادهها ممکن است نادرست باشند.» این دقت فوقالعاده نشان میدهد که گوگل نه تنها از نظر سرعت بلکه از نظر صحت دادهها نیز جهشی بزرگ داشته است.
پژوهشگران گوگل معتقدند که الگوریتم Quantum Echoes — که در اصطلاح علمی با عنوان Out-of-Time-Order Correlator شناخته میشود — میتواند در آینده برای بهبود طیفسنجی تشدید مغناطیسی هستهای (NMR) نیز مورد استفاده قرار گیرد. این فناوری مشابه MRI است و در علوم زیستی، شیمی و علم مواد برای تحلیل ساختار مولکولها کاربرد دارد. در آزمایشهای اولیه با استفاده از ۱۵ کیوبیت، این الگوریتم توانست مدلهای مولکولی دقیقی تولید کند. اشوک اجوی (Ashok Ajoy)، استاد دانشگاه کالیفرنیا برکلی، در این باره میگوید: «اگرچه هنوز در مراحل ابتدایی هستیم، اما این روش میتواند کاربردهای گستردهای در آینده داشته باشد، بهویژه با توجه به نقش گسترده NMR در علوم مختلف.»
اوبراین میگوید نتایج فعلی هنوز فراتر از توان ابررایانههای کلاسیک نیست، اما پیشرفت در حوزه تصحیح خطاهای کوانتومی میتواند راه را برای دستیابی به برتری واقعی هموار کند. در همین حال، هارتموت نوون (Hartmut Neven)، مدیر Google Quantum AI، نیز میافزاید: «ما اطمینان داریم که در پنج سال آینده شاهد نخستین کاربردهای واقعی خواهیم بود که تنها توسط کامپیوترهای کوانتومی امکانپذیر هستند.» این پژوهش تاریخی که در مجله معتبر Nature منتشر شده است، سرآغازی برای دوران جدیدی از محاسبات به شمار میرود؛ دورانی که در آن، سرعت و دقت کوانتومی میتواند مرزهای دانش و فناوری را بازتعریف کند.
