فهرست مطالب
شرکت IBM با معرفی یخچال کوانتومی خود که بیش از ۱۸۰ برابر سردتر از اعماق فضا است، مسیر ساخت کامپیوتر کوانتومی تحملپذیر در برابر خطا را تا سال ۲۰۲۹ هموار میکند.
به گزارش سرویس فناوری تکناک، این شرکت از سیستم برودتی ماژولار جدیدی رونمایی کرده است که میتواند تراشههای کوانتومی مستقر در یخچالهای جداگانه را به یکدیگر متصل کند. این سیستم دمای پردازندههای کوانتومی را تا حدود ۱۰ میلیکلوین، معادل منفی ۲۷۳.۱۴ درجه سانتیگراد، کاهش میدهد..
دستیابی به کامپیوتر کوانتومی تحملپذیر در برابر خطا یکی از مهمترین اهداف صنعت رایانش کوانتومی محسوب میشود. کیوبیتهای مورد استفاده در کامپیوترهای کوانتومی به نویز و عوامل محیطی بسیار حساس هستند و همین مسئله احتمال بروز خطا در محاسبات را افزایش میدهد. سیستمهای تحملپذیر در برابر خطا با استفاده از روشهای تصحیح خطای کوانتومی میتوانند این خطاها را هنگام فعالیت سیستم اصلاح کنند و عملیات کوانتومی را بدون وقفه ادامه دهند.
شرکت IBM معتقد است دستیابی به چنین قابلیتی میتواند کاربرد کامپیوترهای کوانتومی را در حوزههایی مانند شیمی، علم مواد و فیزیک نظری گسترش دهد. پژوهشگران در صورت دستیابی به سیستمهای پایدار میتوانند عملیات کوانتومی بسیار پیچیدهتری را انجام دهند که اجرای آنها از توان ابرکامپیوترهای امروزی خارج است.
یکی از موانع اصلی در این مسیر، زیرساخت موردنیاز برای افزایش تعداد تراشهها و کیوبیتها است. اکنون IBM ادعا کرده است که معماری برودتی ماژولار و متصل این شرکت میتواند بخشی از این مشکل را برطرف کند.
بیشتر بخوانید: اینترنت کوانتومی سختترین آزمایش واقعی خود را پشت سر گذاشت
دمای نزدیک به صفر مطلق برای پردازندههای کوانتومی
سیستم برودتی جدید IBM از واحدهای مستقلی تشکیل شده است که هرکدام حدود ۲.۴ متر ارتفاع و ۲.۴ متر عرض دارند. فضای داخلی هر واحد نیز حدود ۰.۲۵ متر مکعب است. این تجهیزات از نظر ظاهر تا حدی به یخچالهای معمولی شباهت دارند، اما دمای داخل آنها با یک یخچال خانگی قابل مقایسه نیست.
یخچال کوانتومی IBM میتواند دما را تا حدود ۱۰ میلیکلوین کاهش دهد. این دما معادل منفی ۲۷۳.۱۴ درجه سانتیگراد است و فاصله بسیار کمی با صفر مطلق دارد. صفر مطلق پایینترین دمای ممکن از نظر نظری است. همچنین دمای سیستم جدید IBM بیش از ۱۸۰ برابر سردتر از اعماق فضا توصیف شده است.
این سرمای شدید برای عملکرد واحدهای پردازش کوانتومی ابررسانای IBM ضروری است. در معماری این شرکت، هر تراشه باید در دمای کمتر از ۱۵ میلیکلوین فعالیت کند.
کیوبیتها برخلاف اجزای کامپیوترهای معمولی، حساسیت بسیار زیادی به نویز دارند. گرما و عوامل دیگری مانند امواج الکترومغناطیسی میتوانند وضعیت آنها را مختل کنند و باعث بروز خطا در محاسبات شوند. مهندسان برای استفاده از ویژگیهای مکانیک کوانتومی مواد ابررسانا باید این عوامل مزاحم را تا حد ممکن کاهش دهند.
شرکت IBM برای سرد کردن ماژولهای جدید از تجهیزات برودتی شرکتهای دیگر استفاده میکند. این تجهیزات بر کمپرسورهای برودتی هلیومی و سامانههای تجاری سرمایش رقیقسازی متکی هستند. همچنین مهندسان از محفظههای خلأ، واشرهای محافظ در برابر تداخل الکترومغناطیسی و چندین لایه عایق حرارتی مایلار برای محافظت از محیط داخلی استفاده میکنند.
فرایند سرد کردن نیز بسیار زمانبر است. هر ماژول برای رسیدن به دمای حدود ۴ کلوین، معادل منفی ۲۶۹.۱۵ درجه سانتیگراد، به بیش از چهار روز زمان نیاز دارد. سیستم مدت کوتاهی پس از رسیدن به این مرحله میتواند دما را به کمتر از ۱۵ میلیکلوین کاهش دهد.
محدودیت فضای موجود روی تراشه نیز چالش دیگری برای توسعه کامپیوترهای کوانتومی است. مهندسان تنها میتوانند تعداد مشخصی کیوبیت را روی هر تراشه جای دهند. افزایش تعداد گیتهای کوانتومی به چند صد یا چند هزار گیت نیز به تراشهها و فضای بیشتری نیاز دارد.
ساخت یک محیط فوقسرد بسیار بزرگ و قرار دادن تعداد زیادی واحد پردازش کوانتومی در آن، راهکار مناسبی برای حل این مشکل نیست. چنین روشی زیرساخت بسیار گستردهای نیاز دارد و تعمیر، ارتقا و عیبیابی سیستم را دشوار میکند. مهندسان ممکن است برای بررسی یک نقص سختافزاری یا تعویض یک قطعه مجبور شوند محیط کنترلشده سیستم را باز کنند که این کار میتواند فعالیت کل مجموعه را مختل نماید.
بیشتر بخوانید: اولین کامپیوتر کوانتومی الماسی ۵۱۲ کیوبیتی معرفی شد
اتصال یخچال کوانتومی IBM به کابلهای ابررسانا
شرکت IBM برای حل این مشکل، معماری ماژولار را انتخاب کرده است. هر یخچال تعداد محدودی تراشه کوانتومی را در خود جای میدهد و مهندسان میتوانند چند ماژول را به یکدیگر متصل کنند. به این ترتیب، افزایش قدرت سیستم الزاما به ساخت یک محفظه فوقسرد بسیار بزرگ نیاز ندارد.
به گفته IBM، دستاورد جدید نخستین نمایش اتصال واحدهای پردازش کوانتومی میان ماژولهای برودتی جداگانه محسوب میشود. قابلیت شبکه کردن این واحدها به مهندسان اجازه میدهد از قدرت ترکیبی چند پردازنده کوانتومی استفاده کنند.
یکی از اجزای کلیدی این معماری، اتصالدهندههایی موسوم به «L-coupler» هستند. این اتصالدهندهها کابلهای ابررسانای آلومینیومی با طول حداکثر حدود یک متر هستند و ارتباط میان پردازندههای مستقر در ماژولهای مختلف را امکانپذیر میکنند.
الیور دایل، معاون عملیات کوانتومی IBM در کنفرانس خبری ۱۸ اوت توضیح داد که عملیات کوانتومی میان کیوبیتها معمولا روی خود تراشه انجام میشود. اتصالدهندههای بسیار کوتاه روی تراشه، درهمتنیدگی را ایجاد میکنند و اجرای گیتهای دوکیوبیتی را امکانپذیر میسازند.
به گفته دایل، L-couplerها همین قابلیت را از طریق یک کابل ابررسانای آلومینیومی با طول حداکثر حدود یک متر فراهم میکنند. او این فناوری را برای IBM بسیار مهم دانست، چرا که این اتصالدهندهها پایه معماری ماژولار این شرکت را تشکیل میدهند.
شرکت IBM قصد دارد معماری برودتی ماژولار خود را از سال ۲۰۲۷ به کار بگیرد. سیستمهای اولیه این شرکت از دو تا سه واحد تشکیل خواهند شد و در مجموع از حدود هزار کیوبیت پشتیبانی خواهند کرد.
هدف بزرگتر IBM برای سال ۲۰۲۹ تعریف شده است. این شرکت میخواهد با معرفی کامپیوتر کوانتومی “Starling” به اجرای ۱۰۰ میلیون گیت، معادل ۱۰۰ میلیون عملیات کوانتومی در یک نوبت پردازش، دست پیدا کند. شرکت IBM انتظار دارد Starling به نخستین کامپیوتر کوانتومی تحملپذیر در برابر خطای جهان تبدیل شود.
با وجود این، فناوری فعلی هنوز برای رسیدن به این هدف آماده نیست. دانشمندان تاکنون توانستهاند دو ماژول برودتی را به یکدیگر متصل کنند و آنها را بهطور همزمان به دمای لازم برای فعالیت برسانند، اما هنوز محاسبات پیچیده کوانتومی میان این ماژولها انجام نشده است.
بیشتر بخوانید: آمازون پیشبینی کرد: رایانههای کوانتومی تجاری ۵ تا ۷ سال آینده عرضه می شوند
پژوهشگران برای آزمایش اولیه، عملیات ساده گیت را با پردازنده «Flamingo» انجام دادهاند. گروه IBM قصد دارد نسل فعلی پردازندههای «Nighthawk» را نیز طی روزهای آینده در این سیستم نصب کند.
جری چاو، مدیر ارشد فناوری ابررایانش کوانتوممحور IBM بیان کرد که این شرکت بخش علمی مسیر دستیابی به رایانش تحملپذیر در برابر خطا را مشخص کرده است و اکنون بخش مهمی از چالشهای باقیمانده به مهندسی مربوط میشوند.
او تأکید کرد که یک دستاورد بزرگ و منفرد، رایانش کوانتومی تحملپذیر در برابر خطا را محقق نخواهد کرد. به گفته او، هزاران پیشرفت کوچک مهندسی در بخشهای مختلف، از پردازندهها و نرمافزار گرفته تا سیستمهای کنترل، زیرساخت و تصحیح خطا، باید در کنار یکدیگر قرار گیرند.
در همین حال، صنعت رایانش کوانتومی فقط به سیستمهای ابررسانای فوقسرد محدود نمیشود. آزمایشگاههای مختلف از سامانههای برودتی مستقل استفاده میکنند و برخی شرکتها و پژوهشگران نیز به دنبال ساخت کامپیوترهای کوانتومی قابل استفاده در دمای اتاق هستند. بعضی از این معماریها از فوتونها، یعنی ذرات نور، بهعنوان کیوبیت استفاده میکنند و برخی دیگر بر موادی مانند الماسهای ساختهشده در آزمایشگاه متکی هستند.
با وجود این رقابت، شرکت IBM انتظار دارد Starling در سال ۲۰۲۹ عنوان نخستین کامپیوتر کوانتومی تحملپذیر در برابر خطای جهان را به دست آورد. تحقق این ادعا هنوز قطعی نیست. شرکتهای دیگر فعال در صنعت رایانش کوانتومی نیز برای دستیابی به همین نقطه عطف تلاش میکنند و IBM ابتدا باید نشان دهد معماری ماژولار جدید آن میتواند محاسبات پیچیده را میان چند پردازنده مستقر در یخچال های جداگانه با موفقیت انجام دهد.
بیشتر بخوانید: ساخت نخستین کارخانه ویفر کوانتومی با همکاری IBM
