پیشرفت خیره کننده تراشه کوانتومی Willow گوگل

گوگل یک بار دیگر مرزهای علم و فناوری را جابجا کرده و با رونمایی از تراشه کوانتومی ابررسانای ۱۰۵ کیوبیتی خود به نام Willow، جهشی بزرگ در دنیای محاسبات کوانتومی ایجاد کرده است. این شرکت اعلام کرده که تراشه Willow در اجرای الگوریتم‌های خاصی، سرعتی ۱۳ هزار برابر بیشتر از قدرتمندترین ابررایانه‌های فعلی جهان دارد. این دستاورد، نشان‌دهنده نزدیکی ما به عصر کاربردی‌سازی محاسبات کوانتومی است و نقطه عطفی در زمینه محاسبات کوانتومی محسوب می‌شود.

این رکوردشکنی نه تنها یک پیروزی مهندسی است، بلکه تأییدی بر پتانسیل عظیم معماری‌های کوانتومی مبتنی بر ابررساناها (Superconducting Qubits) در مقایسه با مدل‌های سنتی سیلیکونی است.

آشناییت با عملکرد WiIIow گوگل

تراشه Willow گوگل توانسته است الگوریتم پیچیده “Quantum Echoes” را که برای سنجش پدیده‌های آشوب کوانتومی طراحی شده، با موفقیت اجرا کند. این الگوریتم به طور خاص برای بررسی سیستم‌هایی طراحی شده که به شدت به شرایط اولیه حساس هستند؛ پدیده‌ای که در فیزیک کلاسیک به عنوان اثر پروانه‌ای شناخته می‌شود.

کارشناسان پروژه این عملکرد را دارای ارزش علمی بسیار بالا می‌دانند، زیرا این تراشه قابلیت شبیه‌سازی دقیق ساختارهای مولکولی و رفتار الکترونی مواد را فراهم می‌آورد که با روش‌های کلاسیک عملاً غیرممکن است.

الگوریتم “Quantum Echoes” که Willow آن را اجرا کرد، نیازمند محاسبه حالت‌های همزمان تعداد زیادی از ذرات در یک سیستم در حال تکامل است. در یک سیستم کلاسیک با ذره، برای مدل‌سازی کامل حالت سیستم، نیاز به ذخیره  مقدار است. برای ۱۰۵ کیوبیت، این عدد نجومی خواهد بود:

این حجم از اطلاعات، فراتر از ظرفیت ذخیره‌سازی و پردازش هر ابررایانه‌ای است که امروزه در اختیار داریم. توانایی Willow در شبیه‌سازی این پویایی‌ها نشان‌دهنده برتری ذاتی محاسبات کوانتومی در فضا حالت است.

فیزیکدان اصلی پروژه، میشل دووره، اظهار داشت که Willow این ایده را تأیید می‌کند که مدارهای الکتریکی می‌توانند مانند «اتم‌های مصنوعی» عمل کرده و امکان مطالعه عمیق‌تر برهم‌کنش‌های اتمی را میسر سازند. این رویکرد، دروازه‌ای برای علم مواد کوانتومی باز می‌کند که می‌تواند منجر به کشف مواد با ویژگی‌های ترمودینامیکی و الکتریکی غیرمنتظره شود.

تراشه Willow از معماری مبتنی بر مدارهای ابررسانای ترانسمون (Transmon Qubits) استفاده می‌کند، که در دماهای فوق‌العاده پایین (نزدیک به صفر مطلق) کار می‌کنند. این تراشه از ۱۰۵ کیوبیت فیزیکی بهره می‌برد و چالش اصلی در طراحی آن، حفظ انسجام (Coherence) این تعداد زیاد کیوبیت و اطمینان از اتصال‌پذیری مناسب بین آن‌ها بوده است.

قلب تپنده این پیشرفت، ویژگی‌های منحصربه‌فرد کیوبیت‌های این تراشه است که اساس محاسبات کوانتومی را تشکیل می‌دهند:

۱. برهم‌نهی (Superposition) و قدرت موازی‌سازی

هر کیوبیت می‌تواند به طور همزمان در چندین حالت وجود داشته باشد (مثلاً ترکیبی از ۰ و ۱)، و با سایر کیوبیت‌ها در تعامل باشد. این امر، قدرت عظیمی برای بررسی حجم وسیعی از حالات احتمالی به طور همزمان به سیستم می‌دهد. در یک سیستم کیوبیتی، این امکان وجود دارد که حالت‌هایی تا $2^n$ به صورت موازی پردازش شوند. این ویژگی، عامل اصلی افزایش سرعت ۱۳ هزار برابری است.

۲. درهم‌تنیدگی (Entanglement)

درهم‌تنیدگی حالتی است که در آن وضعیت دو یا چند کیوبیت به گونه‌ای به هم وابسته است که اندازه‌گیری حالت یکی، فوراً حالت دیگری را تعیین می‌کند، صرف نظر از فاصله فیزیکی آن‌ها. این پدیده برای اجرای بسیاری از الگوریتم‌های کوانتومی ضروری است.

۳. دقت بی‌نظیر و کاهش خطای عملیاتی

یکی از بزرگ‌ترین موانع در محاسبات کوانتومی، حساسیت کیوبیت‌ها به نویز محیطی است که منجر به از دست رفتن اطلاعات (دکوهیرنس) می‌شود. گوگل توانسته است با مهندسی دقیق، سطح خطای عملیاتی را به طرز چشمگیری کاهش دهد:

• دقت عملیات تک‌کیوبیتی: برابر با ۹۹.۹۷ درصد
• دقت عملیات ترکیبی (دو کیوبیتی): به ۹۹.۹۸ درصد  می‌رسد.

این دقت بالا، که در مقایسه با نسل‌های پیشین بسیار بهبود یافته است، نشان‌دهنده پایداری چشمگیر آن است و امکان اجرای مدارات محاسباتی عمیق‌تر (دارای تعداد بیشتری گیت متوالی) را بدون انباشت خطای غیرقابل کنترل فراهم می‌سازد.

این جهش تکنولوژیک پیامدهای عمیقی برای صنایع مختلف خواهد داشت. پیشرفت در قدرت محاسباتی کوانتومی، به ویژه در زمینه شبیه‌سازی، به زودی اثرات خود را در حوزه‌های زیر نشان خواهد داد:

۱. کشف دارو و علم مواد

شبیه‌سازی دقیق رفتار الکترونی مولکول‌ها، به ویژه در سیستم‌های پیچیده بیولوژیکی یا کاتالیزورهای شیمیایی، نیازمند قدرت محاسباتی است که تراشه Willow نویدبخش آن است.

• طراحی دارو: مدل‌سازی دقیق نحوه اتصال یک مولکول دارو به پروتئین‌های هدف برای کاهش زمان و هزینه توسعه داروهای جدید.
• مواد نوین: طراحی ابررساناها در دمای بالاتر، کاتالیزورهای کارآمدتر برای جذب کربن، و باتری‌های با چگالی انرژی فوق‌العاده بالا.

۲. هوش مصنوعی کوانتومی (QAI)

الگوریتم‌های یادگیری ماشین کوانتومی (مانند الگوریتم‌های کوانتومی ماشین بردار پشتیبان یا شبکه‌های عصبی کوانتومی) می‌توانند فرآیندهای بهینه‌سازی پیچیده را با مصرف انرژی به مراتب پایین‌تر انجام دهند. این امر می‌تواند منجر به توسعه نسل بعدی هوش مصنوعی شود که توانایی حل مسائل بهینه‌سازی لجستیکی، مدیریت ترافیک، و تحلیل داده‌های عظیم مالی را در مقیاسی نو خواهد داشت.

به عنوان مثال، در بهینه‌سازی مسیرها، اگر یک مسئله بهینه‌سازی کلاسیک نیاز به عملیات داشته باشد، برخی الگوریتم‌های کوانتومی مانند الگوریتم گروور می‌توانند این پیچیدگی را به کاهش دهند، که جهشی نمادین در سرعت حل این مسائل است.

نتیجه گیری :

با وجود این پیشرفت خیره‌کننده در مقیاس کیوبیت‌های فیزیکی (۱۰۵ کیوبیت)، محققان هشدار می‌دهند که فاصله زیادی تا استفاده تجاری گسترده باقی مانده است. تراشه Willow هنوز در حوزه “NISQ” (Noisy Intermediate-Scale Quantum) قرار دارد؛ یعنی سیستم‌هایی با تعداد کیوبیت‌های متوسط که دارای نویز قابل توجهی هستند.

بزرگ‌ترین مانع کنونی، تبدیل سیستم‌های آزمایشی به کیوبیت‌های منطقی (Logical Qubits) است که بتوانند خطاهای محاسباتی را به طور مؤثر اصلاح کنند و پایداری بلندمدت داشته باشند.

برای انجام محاسبات طولانی و پیچیده مورد نیاز برای کاربردهای واقعی (مانند شکستن رمزنگاری پیشرفته یا شبیه‌سازی‌های بزرگ شیمیایی)، نیاز به کیوبیت‌های منطقی است. هر کیوبیت منطقی باید از تعداد زیادی کیوبیت فیزیکی برای کدگذاری اطلاعات و تصحیح خطای مداوم تشکیل شود.

برآوردها نشان می‌دهد که برای رسیدن به یک کیوبیت منطقی با نرخ خطای بسیار پایین، ممکن است به هزاران کیوبیت فیزیکی (بسته به کد تصحیح خطا مانند کد شور یا کد سطح) نیاز باشد.

تراشه Willow با ۱۰۵ کیوبیت فیزیکی، نقطه شروعی قوی است، اما برای رسیدن به کاربردهای واقعی، مقیاس‌دهی و افزایش پایداری این کیوبیت‌ها به سطحی که بتوانند به طور مؤثر کد تصحیح خطا را اجرا کنند، نیازمند سال‌ها تحقیق و توسعه بیشتر است.