شرکت IBM برای خنک کردن رایانه‌های کوانتومی به سراغ سرمایی فراتر از فضا رفت
به گزارش خبرگزاری آنا؛ برخی از سردترین محیط‌های ساخته‌شده توسط انسان نه در فضا، بلکه در آزمایشگاه‌های تحقیقاتی روی زمین قرار دارند؛ جایی که پردازنده‌های کوانتومی در دمایی نزدیک به صفر مطلق فعالیت می‌کنند. دمای تابش پس‌زمینه کیهان که از دوران اولیه شکل‌گیری جهان باقی مانده، حدود ۲٫۷ کلوین یا منفی ۲۷۰٫۴۵ درجه سانتی‌گراد است، اما سامانه سرمایشی ماژولار جدید شرکت IBM می‌تواند دما را به کمتر از ۰٫۰۱۵ کلوین، معادل حدود منفی ۲۷۳٫۱۳ درجه سانتی‌گراد، کاهش دهد. چنین اختلافی در مقیاس معمول دما چندان بزرگ به نظر نمی‌رسد، اما در دنیای فیزیک کوانتومی اهمیت بسیار زیادی دارد، زیرا حتی مقدار اندکی انرژی حرارتی می‌تواند وضعیت پردازشی کیوبیت‌ها را تغییر دهد و دقت محاسبات را کاهش دهد. IBM این سامانه را برای توسعه رایانه‌های کوانتومی بزرگ‌تر طراحی کرده است؛ دستگاه‌هایی که برای حل مسائل پیچیده علمی، شبیه‌سازی مولکول‌ها و اجرای الگوریتم‌های پیشرفته به تعداد زیادی کیوبیت نیاز دارند.
چرا کیوبیت‌ها به دمای نزدیک به صفر مطلق نیاز دارند؟
برای درک اهمیت سرمایش در رایانه‌های کوانتومی، ابتدا باید تفاوت کیوبیت با بیت معمولی را شناخت. رایانه‌های امروزی اطلاعات را با استفاده از بیت‌هایی پردازش می‌کنند که در هر لحظه یکی از ۲ مقدار صفر یا یک را دارند، اما کیوبیت‌ها می‌توانند به لطف پدیده‌ای به نام برهم‌نهی کوانتومی، در ترکیبی از ۲ حالت پایه قرار بگیرند. کیوبیت‌ها همچنین می‌توانند با یکدیگر درهم‌تنیده شوند؛ به این معنا که وضعیت کوانتومی آن‌ها به شکلی مرتبط می‌شود که دیگر نمی‌توان هر کیوبیت را کاملاً مستقل از بقیه توصیف کرد. رایانه کوانتومی با کنترل این حالت‌ها و استفاده از تداخل کوانتومی، احتمال دستیابی به پاسخ‌های مطلوب را در بعضی محاسبات افزایش می‌دهد. البته این ویژگی به معنای سریع‌تر بودن رایانه کوانتومی در تمام وظایف نیست، بلکه برتری احتمالی آن به نوع مسئله و الگوریتم مورد استفاده بستگی دارد.
مشکل اصلی آن است که حالت‌های کوانتومی به‌شدت در برابر اختلالات محیطی حساس هستند. گرما، میدان‌های الکترومغناطیسی، ارتعاشات مکانیکی و نویز الکتریکی می‌توانند با کیوبیت‌ها برهم‌کنش داشته باشند و اطلاعات ذخیره‌شده در حالت‌های کوانتومی را مختل کنند. این پدیده که با نام «ناهمدوسی کوانتومی» شناخته می‌شود، باعث از بین رفتن تدریجی ویژگی‌هایی مانند برهم‌نهی و درهم‌تنیدگی و افزایش احتمال خطا در محاسبات خواهد شد. در کیوبیت‌های ابررسانا که شرکت‌هایی مانند IBM و گوگل از آن‌ها استفاده می‌کنند، اختلاف انرژی میان حالت‌های کوانتومی بسیار کوچک است و حتی انرژی حرارتی ناچیز می‌تواند به ایجاد تغییرات ناخواسته منجر شود. کاهش دما به چند هزارم درجه بالاتر از صفر مطلق، علاوه بر حفظ ویژگی ابررسانایی مدارها، میزان برانگیختگی حرارتی را کاهش می‌دهد و شرایط پایدارتری برای اجرای عملیات کوانتومی فراهم می‌کند. با این حال سرمای شدید به‌تنهایی تمام خطا‌ها را از بین نمی‌برد و برای ساخت رایانه‌های قابل اعتماد، استفاده از روش‌های تصحیح خطای کوانتومی نیز ضروری است.
سامانه سرمایشی IBM چگونه به دمای کمتر از ۱۵ میلی‌کلوین می‌رسد؟
رایانه‌های کوانتومی ابررسانا معمولاً درون تجهیزاتی به نام یخچال رقیق‌ساز قرار می‌گیرند که از نظر ظاهری شبیه لوستر‌های فلزی بزرگ با چندین صفحه و مجموعه‌ای از کابل‌های آویزان هستند. این ساختار از مراحل مختلف سرمایشی تشکیل شده و دما در هر مرحله نسبت به بخش بالایی کاهش پیدا می‌کند. بخش بیرونی سامانه در دمای محیط قرار دارد، اما صفحات داخلی به‌تدریج سردتر می‌شوند تا در پایین‌ترین قسمت، شرایط لازم برای فعالیت پردازنده کوانتومی فراهم شود. برخلاف یخچال‌های خانگی، دستیابی به چنین دما‌هایی تنها با فشرده‌سازی معمول گاز امکان‌پذیر نیست و سامانه از ترکیب ۲ ایزوتوپ هلیوم با نام‌های هلیوم-۳ و هلیوم-۴ استفاده می‌کند. در دما‌های بسیار پایین، این مخلوط به ۲ فاز با غلظت متفاوت تقسیم می‌شود و انتقال اتم‌های هلیوم-۳ میان آن‌ها باعث جذب گرما از محیط خواهد شد. تکرار پیوسته این فرایند امکان حفظ دمایی در محدوده چند میلی‌کلوین را فراهم می‌کند.
IBM در سامانه ماژولار جدید خود موفق شده ۲ واحد سرمایشی مستقل را به یک محیط مشترک متصل کند که ارتفاع و عرض مجموعه آن‌ها از حدود ۲٫۴ متر فراتر می‌رود. این سیستم در آزمایش‌های اولیه توانسته طی کمتر از ۵ روز به دمای ۴ کلوین برسد و سپس دمای نهایی را به کمتر از ۱۵ میلی‌کلوین کاهش دهد. طراحی جدید بخشی از برنامه این شرکت برای اتصال صد‌ها تراشه کوانتومی به یکدیگر است و در مقایسه با بسیاری از سامانه‌های قبلی IBM، فضای بسیار بیشتری برای عبور کابل‌ها و ایجاد ارتباط میان پردازنده‌ها فراهم می‌کند. هر ماژول تا ۱۲ برابر فضای بیشتر برای سیم‌کشی دارد و می‌تواند با استفاده از اتصالات اختصاصی، تراشه‌های مختلف را در یک معماری پردازشی مشترک قرار دهد. این دستاورد یکی از مراحل توسعه رایانه «استارلینگ کوانتومی» محسوب می‌شود که IBM قصد دارد آن را در سال ۲۰۲۹ با قابلیت تصحیح خطای کوانتومی معرفی کند.
با این حال، افزایش تعداد کیوبیت‌ها چالش تازه‌ای برای سامانه‌های سرمایشی ایجاد می‌کند، زیرا هر کیوبیت برای کنترل و خواندن اطلاعات به ارتباط با تجهیزات الکترونیکی نیاز دارد. این تجهیزات معمولاً در دمای محیط فعالیت می‌کنند و کابل‌های متصل به آن‌ها می‌توانند گرما را به بخش‌های سردتر انتقال دهند. در نتیجه، هرچه تعداد کیوبیت‌ها افزایش پیدا کند، تعداد مسیر‌های ارتباطی و احتمال ورود گرما به محفظه پردازنده نیز بیشتر می‌شود. مهندسان برای کاهش این مشکل از کابل‌های ویژه، فیلترها، عایق‌های حرارتی و مراحل میانی سرمایش استفاده می‌کنند تا گرما پیش از رسیدن به پردازنده جذب شود. توسعه یخچال‌های ماژولار نیز با هدف فراهم کردن فضای بیشتر برای اتصالات و افزایش ظرفیت سرمایشی انجام می‌شود، زیرا ساخت رایانه‌های کوانتومی با هزاران کیوبیت بدون بهبود زیرساخت کنترل و خنک‌سازی آن‌ها دشوار خواهد بود.
آیا تمام رایانه‌های کوانتومی به یخچال‌های عظیم نیاز دارند؟
نیاز به دمای چند میلی‌کلوین بیشتر به رایانه‌های کوانتومی مبتنی بر مدار‌های ابررسانا مربوط می‌شود و تمام معماری‌های محاسبات کوانتومی شرایط یکسانی ندارند. برای مثال، شرکت QuEra از اتم‌های خنثی به‌عنوان کیوبیت استفاده می‌کند و با کمک پرتو‌های لیزر، اتم‌ها را در محفظه‌های خلأ به دام می‌اندازد. در این روش، حرکت اتم‌ها با استفاده از تکنیک‌های سرمایش لیزری کاهش پیدا می‌کند و دمای مؤثر آن‌ها می‌تواند به محدوده میکروکلوین برسد که حتی از دمای معمول یخچال‌های رقیق‌ساز پایین‌تر است. با این حال، تفاوت مهم این معماری آن است که فقط اتم‌های مورد استفاده برای پردازش به چنین دمایی می‌رسند و دیواره‌های محفظه خلأ و بخش قابل توجهی از تجهیزات کنترلی می‌توانند در دمای معمول محیط باقی بمانند. این ویژگی نیاز به ساخت محفظه‌های سرمایشی چندمرحله‌ای برای تمام اجزای سامانه را کاهش می‌دهد، هرچند کنترل دقیق تعداد زیادی اتم و حفظ پایداری آن‌ها چالش‌های فنی خاص خود را دارد.
رایانه‌های کوانتومی فوتونی نیز رویکرد متفاوتی دارند و اطلاعات را با استفاده از حالت‌های کوانتومی ذرات نور پردازش می‌کنند. بسیاری از اجزای این سامانه‌ها می‌توانند در دمای اتاق کار کنند و برخلاف مدار‌های ابررسانا، برای تمام مراحل پردازش به سرمایش در محدوده میلی‌کلوین نیاز ندارند. با این حال، آشکارساز‌های بسیار حساس تک‌فوتونی که برای تشخیص و اندازه‌گیری نور استفاده می‌شوند، در بعضی طراحی‌ها همچنان به خنک‌سازی نیاز دارند؛ بنابراین حذف یخچال‌های عظیم لزوماً به معنای حذف تمام تجهیزات سرمایشی نیست و هر معماری، مشکلات متفاوتی در زمینه پایداری کیوبیت‌ها، کنترل خطا و توسعه مقیاس پردازشی دارد. هنوز مشخص نیست کدام روش در نهایت برای ساخت رایانه‌های کوانتومی بزرگ و اقتصادی مناسب‌تر خواهد بود.
رایانه‌های کوانتومی چه تأثیری بر رمزنگاری و امنیت بیت‌کوین خواهند داشت؟
اهمیت توسعه رایانه‌های کوانتومی تنها به پژوهش‌های علمی محدود نمی‌شود و پیشرفت این فناوری می‌تواند پیامد‌های مهمی برای امنیت اطلاعات داشته باشد. رایانه‌های کوانتومی قدرتمند و دارای تصحیح خطا، در صورت دستیابی به مقیاس کافی، قادر خواهند بود برخی مسائل ریاضی را که مبنای سامانه‌های رمزنگاری کلید عمومی هستند با سرعت بیشتری حل کنند. این موضوع می‌تواند امنیت الگوریتم‌هایی مانند RSA و رمزنگاری مبتنی بر منحنی بیضوی را تهدید کند که در بخش مهمی از ارتباطات دیجیتال و امضا‌های الکترونیکی استفاده می‌شوند. در سال ۲۰۲۵، یکی از پژوهشگران تیم هوش مصنوعی کوانتومی گوگل برآورد کرد که شکستن کلید RSA با طول ۲۰۴۸ بیت ممکن است با کمتر از یک میلیون کیوبیت فیزیکی پرخطا و در زمانی کمتر از یک هفته امکان‌پذیر باشد. این برآورد نسبت به تخمین سال ۲۰۱۹ که به حدود ۲۰ میلیون کیوبیت نیاز داشت، کاهش قابل توجهی را نشان می‌دهد، اما همچنان به سخت‌افزار و سامانه تصحیح خطایی وابسته است که در رایانه‌های کنونی در دسترس نیست.
گوگل در پژوهش دیگری در سال ۲۰۲۶ نیز اعلام کرد که شکستن برخی سازوکار‌های رمزنگاری مبتنی بر منحنی بیضوی، از جمله روش‌های مرتبط با امنیت ارز‌های دیجیتال، ممکن است با کمتر از ۵۰۰ هزار کیوبیت فیزیکی امکان‌پذیر شود. این نتایج نگرانی‌هایی درباره آینده امنیت بیت‌کوین و دیگر شبکه‌های بلاکچینی ایجاد کرده‌اند، اما به معنای توانایی رایانه‌های کوانتومی فعلی برای نفوذ به کیف پول‌ها یا شکستن کلید‌های رمزنگاری نیستند. دستگاه‌های امروزی عمدتاً از چند صد تا چند هزار کیوبیت فیزیکی استفاده می‌کنند و هنوز با رایانه‌های کوانتومی بزرگ، پایدار و مجهز به تصحیح خطای کافی فاصله زیادی دارند. در همین حال، مؤسسه ملی استاندارد و فناوری آمریکا نخستین استاندارد‌های نهایی رمزنگاری پساکوانتومی را در سال ۲۰۲۴ منتشر کرده و از سازمان‌ها خواسته است مهاجرت تدریجی به این الگوریتم‌ها را آغاز کنند.
در کنار تهدید‌های امنیتی، رایانه‌های کوانتومی می‌توانند ابزار‌های تازه‌ای برای شبیه‌سازی مولکول‌ها، طراحی دارو، مطالعه مواد پیشرفته و بررسی واکنش‌های شیمیایی فراهم کنند. با این حال دستیابی به چنین کاربرد‌هایی مستلزم افزایش تعداد کیوبیت‌های قابل اعتماد، کاهش خطا‌های پردازشی و توسعه زیرساخت‌های سرمایشی پیشرفته است. به همین دلیل، سامانه‌های خنک‌کننده‌ای که می‌توانند دمای پردازنده‌ها را به چند هزارم درجه بالاتر از صفر مطلق برسانند، یکی از بخش‌های کلیدی مسیر توسعه رایانه‌های کوانتومی کاربردی محسوب می‌شوند.
انتهای پیام/
