چرا من آن را برتری کوانتومی نامیدم؟ برتری کوانتومی از زبان مبدع آن

دهه‌هاست که پژوهشگران علوم و فناوری، در انتظار ساخت ماشین‌هایی بر پایه‌ی قوانین کوانتومی هستند. در سال ۲۰۱۲، اصطلاح برتری کوانتومی اولین بار در مقاله‌ای توسط جان پرسکیل (John Preskill) مطرح شد. در سال جاری، خبر دستیابی گروهی از گوگل به برتری کوانتومی، موجی از بیم و امید را در جامعه‌ی علمی به راه انداخت و بازار اظهار نظرها درباره این موضوع را داغ کرد. اخیرا، خود پرسکیل با انتشار نوشتاری با عنوان «چرا من آن را برتری کوانتومی نامیدم؟» در مجله‌ی معتبر کوانتامگزین، سعی در ارائه‌ی تصویری واقعی از گذشته، حال و آینده‌ی این مفهوم جدید نمود. با دیپ لوک همراه باشید…

به نظر می‌رسد سرانجام، پژوهشگران یک کامپیوتر کوانتومی دارند که می‌تواند بهتر از کامپیوتر کلاسیکی کار کند، اما این واقعا یعنی چه؟ مقاله‌ی اخیر آزمایشگاه محاسبات کوانتومی گوگل اعلام کرد که گوگل به برتری کوانتومی دست یافته است. همه در این مورد صحبت می‌کنند، اما این واقعا یعنی چه؟

در سال ۲۰۱۲، من اصطلاح برتری کوانتومی (quantum supremacy) را برای توصیف نقطه‌ای ارائه کردم که کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند کارهایی (بدون توجه به اینکه این کارها چقدر مفیدند) انجام دهند که کامپیوترهای کلاسیکی قادر به انجام آن‌ها نیستند. من با آن اصطلاح جدید می‌خواستم تاکید کنم که این زمان مهمی در تاریخ سیاره‌ی ماست، زمانی که فناوری اطلاعات مبتنی بر اصول فیزیک کوانتومی، سیر صعودی دارد.

ثابت شد که اصطلاح برتری کوانتومی، اگر آن را یک مفهوم درنظر نگیریم، به دو دلیل، بحث‌برانگیز است: اول اینکه واژه برتری، به واسطه‌ی همبستگی آن با برتری [نژاد] سفید، موضع سیاسی تنفرآمیزی را برمی‌انگیزاند. دلیل دیگر آن است که این واژه، گزارش مکرر وضعیت فناوری کوانتومی را شدت می‌بخشد. من اعتراض دوم را پیش‌بینی کردم، اما موفق به پیش‌بینی مورد اول نشدم. به هر حال، این اصطلاح جاافتاد و با تعصب خاصی به وسیله گروه «Google AI Quantum» پذیرفته شد. من چند احتمال دیگر را درنظر گرفتم، اما آن‌ها را کنار گذاشتم، چرا که اصطلاح برتری کوانتومی بهترین عبارت برای انتقال نکته مورد نظر من بود. یک گزینه‌ی دیگر، «مزیت کوانتومی» است که هم اکنون به طور گسترده استفاده می‌شود، اما به نظر من، «مزیت» فقدان نشان «برتری» است.

مقاله‌ی اخیر گوگل این نکته را روشن می‌کند. آن‌ها دستگاهی با ۵۳ کیوبیت استفاده کردند و گزارش دادند که یک محاسبه‌ی کوانتومی فقط چند دقیقه طول می‌کشد، در حالی که با قدرتمندترین ابرکامپیوترهای امروزی، هزاران سال زمان می‌برد. اگر این امر حقیقت داشته باشد، یک دستاورد قابل توجه در فیزیک آزمایشگاهی بوده و گواهی بر پیشرفت سریع پیشرفت سخت‌افزار محاسبات کوانتومی است. من به همه‌ی کسانی که در این کار مهم، شرکت داشتند، تبریک می‌گویم.

ماشین گوگل، مسئله نمونه‌برداری را با سرعت حیرت‌آوری حل کرد که فقط به منظور ارائه‌ی نمایش برتری کامپیوتر کوانتومی، به دقت انتخاب شده بود. در غیر این صورت مسئله‌ای آنچنان مورد توجه و کاربردی نیست. با این حال، این نمایش هنوز قابل توجه است. محققان با بررسی تطابق خروجی کامپیوتر کوانتومی خود با خروجی یک ابرکامپیوتر کلاسیک (در مواردی که هزاران سال طول نمی‌کشد)، تایید کرده‌اند که طرز کار دستگاه خود را می‌فهمند و آن همانطور که باید، عمل می‌کند. اکنون که ما می‌دانیم سخت‌افزار کار می‌کند، می‌توانیم شروع به جستجوی کاربردهای مفید کنیم.

چرا تایید اجرای سخت‌افزار تا این اندازه، مهم است؟ به این دلیل که کنترل دقیق کامپیوتر کوانتومی بطور منزجرکننده‌ای سخت است. از طرفی، تنها نگاه کردن به یک سیستم کوانتومی، آن را به طور اجتناب‌ناپذیری مختل می‌کند؛ مصداق ظهور اصل عدم قطعیت مشهور هایزنبرگ. اما اگر ما بخواهیم چنین سیستمی را ذخیره کنیم و به روشی مطمئن، اطلاعات را پردازش کنیم، باید سیستم را به حالت انزوای تقریبا کامل از دنیای بیرون نگاه داریم. از طرفی با وجود اینکه می‌خواهیم کیوبیت‌ها با یکدیگر برهمکنش کنند تا بتوانیم اطلاعات را پردازش کنیم؛ اما باید سیستم را از بیرون کنترل و سرانجام برای فهمیدن نتایج محاسبات، کیوبیت‌ها را اندازه‌گیری کنیم. ساختن یک سیستم کوانتومی که تمام این شروط را ارضا کند، چالش بزرگی است که سال‌ها پیشرفت در علم مواد، ساخت، طراحی و کنترل را برای رسیدن به جایگاهی که امروز در آن هستیم، به خود اختصاص داده است.

برتری کوانتومی بدست آمده توسط گوگل، گام مهمی به سوی کامپیوترهای کوانتومی عملی است. من فکر کردم داشتن یک واژه برای عصری که اکنون آغازشده، مفید خواهد بود، بنابراین اخیرا یکی ساختم: NISQ که مخفف عبارت کوانتوم مقیاس متوسط نویزی (noisy intermediate-scale quantum)  است. اینجا «مقیاس متوسط» به اندازه‌ی کامپیوترهای کوانتومی اشاره دارد که هم اکنون در دسترس‌اند. اجرای وظایف بسیار تخصصی به حد کافی بزرگ، فراتر از ابرکامپیوترهای امروزی است. «نویزی» تاکید می‌کند که ما کنترل ناقصی بر کیوبیت‌ها داریم که نتیجه‌ی انباشته شدن خطاهای کوچک در طول زمان است. اگر انجام یک محاسبه، بیش از حد، طول بکشد، احتمالا جواب درست را بدست نخواهیم آورد. گروه گوگل ظاهرا نشان دادند که برای حل مسئله‌ای که پیش از این قادر به حل آن نبودیم، ساخت یک ماشین کوانتومی به اندازه‌ی کافی بزرگ و دقیق، امکان‌پذیر است: اعلام شروع عصر NISQ.

از اینجا راه به کجا می‌بریم؟ گوگل و دیگر سازندگان سخت‌افزار به یافتن کاربردهای عملی برای دستگاه‌های کوانتومی امید دارند. کامپیوتر کوانتومی بزرگ‌تر ممکن است به پژوهشگران در طراحی مواد و ترکیبات شیمیایی جدید یا ساخت ابزارهای بهتر برای یادگیری ماشین کمک کند. اما یک کامپیوتر کوانتومی نویزی با چند صد کیوبیت، ممکن است قادر به انجام هیچ کار مفیدی نباشد. ما ایده‌هایی درباره‌ی چگونگی استفاده‌ از کامپیوترهای ‌NISQ داریم که مشتاق به آزمون آن‌ها هستیم؛ ایده‌هایی که ممکن است روش‌های بهتری برای بهینه‌سازی یا شبیه‌سازی‌های فیزیکی دقیق‌تر بدست دهند، اما از نتیجه‌بخش بودن هیچ یک از آن‌ها در آینده مطمئن نیستیم. بازی با فناوری‌های NISQ، برای یادگیری درباره‌ی کاری که قادر به انجام هستند، جالب خواهد بود. من انتظار دارم که کامپیوترهای کوانتومی اثر تحول‌آمیزی روی جامعه داشته باشند، اما وقوع این اثر، دهه‌ها دورتر خواهد بود.