یک استادیار دانشگاه آزاد اسلامی در گفت‌وگو با آناتک:
حجت الاسلام کاشانی در جلسه سوم «مبانی فاطمیه»:
در گفت وگو با آنا مطرح شد
سامانه کوانتومی ۱۰۴۰ کیوبیتی IBM در سال ۲۰۲۷ عرضه می‌شود
به گزارش خبرگزاری آنا؛ شرکت IBM در کنفرانس توسعه‌دهندگان رایانش کوانتومی، جزئیات تازه‌ای از برنامه خود برای ساخت پردازنده‌های قدرتمندتر و دستیابی به رایانه‌های کوانتومی مجهز به فناوری تصحیح خطا ارائه کرده است. نقشه راه این شرکت شامل دو مسیر توسعه موازی است که یکی بر ساخت سخت‌افزار‌های تخصصی موردنیاز برای تصحیح خطا‌های کوانتومی تمرکز دارد و دیگری به تولید پردازنده‌های عمومی اختصاص یافته که پژوهشگران و توسعه‌دهندگان می‌توانند از آن‌ها برای آزمایش الگوریتم‌های کوانتومی استفاده کنند. IBM امیدوار است با پیشبرد هم‌زمان این دو مسیر، تا پیش از پایان دهه جاری به ساخت رایانه‌های کوانتومی با قابلیت تصحیح خطا دست یابد و زمینه اجرای محاسبات پیچیده‌تری را فراهم کند که پردازنده‌های کنونی به دلیل محدودیت‌های سخت‌افزاری و احتمال بالای بروز خطا قادر به انجام مطمئن آن‌ها نیستند.
پردازنده‌های خانواده نایت‌هاوک بخش اصلی برنامه IBM برای ارائه سامانه‌های کوانتومی عمومی را تشکیل می‌دهند و برخلاف سخت‌افزار‌های اختصاصی تصحیح خطا، برای اجرای طیف گسترده‌ای از الگوریتم‌های آزمایشی طراحی شده‌اند. نسل نخست این پردازنده‌ها با ۱۲۰ کیوبیت برنامه‌پذیر توسعه یافت و هدف عملکردی آن اجرای حدود ۵ هزار عملیات دروازه‌ای کوانتومی پیش از رسیدن احتمال خطا به سطحی بود که قابلیت اطمینان نتایج را کاهش می‌دهد. نقشه راه قبلی شرکت افزایش ظرفیت سامانه‌ها را از طریق اتصال چندین پردازنده ۱۲۰ کیوبیتی پیش‌بینی کرده بود، به‌طوری‌که قرار بود در سال ۲۰۲۶ سه تراشه نایت‌هاوک به یکدیگر متصل شوند و سامانه‌ای با ظرفیت مجموع ۳۶۰ کیوبیت ایجاد کنند. با این حال، این برنامه در سال جاری عملی نشده و IBM به‌جای عرضه سامانه چندتراشه‌ای، نسل دوم نایت‌هاوک را به‌صورت یک پردازنده مستقل در اختیار کاربران قرار داده است.
فناوری بازنشانی کیوبیت‌ها سرعت پردازش را افزایش می‌دهد
نسل دوم پردازنده نایت‌هاوک با نام Nighthawk R۲ که در شهریورماه معرفی شد، همچنان از ۱۲۰ کیوبیت برنامه‌پذیر بهره می‌برد، اما تغییرات گسترده در طراحی سخت‌افزار آن موجب افزایش قابل‌توجه سرعت اجرای برخی عملیات کوانتومی شده است. مهم‌ترین پیشرفت این نسل به استفاده از فناوری بازنشانی سخت‌افزاری کیوبیت‌ها مربوط می‌شود که امکان بازگرداندن سریع آن‌ها به حالت پایه را فراهم می‌کند. کیوبیت‌ها در جریان محاسبات کوانتومی ممکن است در وضعیت‌هایی قرار بگیرند که برای اجرای مراحل بعدی پردازش مناسب نباشند و لازم باشد پیش از ادامه محاسبات به حالت اولیه بازگردانده شوند. انجام این فرایند در پردازنده‌های متداول می‌تواند زمان اجرای مدار‌های کوانتومی را افزایش دهد، اما طراحی جدید IBM با اختصاص اجزای فیزیکی مستقل به بازنشانی کیوبیت‌ها، زمان موردنیاز برای آماده‌سازی مجدد آن‌ها را کاهش داده و امکان اجرای سریع‌تر برخی محاسبات را فراهم کرده است.
پردازنده Nighthawk R۲ در مجموع دارای ۴۵۸ جزء فیزیکی کوانتومی است که از میان آن‌ها تنها ۱۲۰ کیوبیت برای اجرای محاسبات برنامه‌پذیر در اختیار کاربران قرار دارند و سایر اجزا وظایف پشتیبانی سخت‌افزاری را بر عهده می‌گیرند. بخشی از این اجزا از نظر ساختار فیزیکی به کیوبیت‌های محاسباتی شباهت دارند، اما به‌جای ذخیره و پردازش اطلاعات کوانتومی، برای خارج کردن انرژی از کیوبیت‌های اصلی و بازگرداندن آن‌ها به حالت پایه استفاده می‌شوند. الیور دایل، معاون بخش سامانه‌های کوانتومی IBM، توضیح داده است که این طراحی امکان تخلیه سریع انرژی هر کیوبیت برنامه‌پذیر را فراهم می‌کند و به توسعه‌دهندگان اجازه می‌دهد مدار‌های کوانتومی را با سرعت بیشتری اجرا کنند. نتایج ارائه‌شده از سوی شرکت نشان می‌دهد که فناوری بازنشانی سخت‌افزاری در برخی عملیات می‌تواند سرعت اجرا را تا ۱۹ برابر افزایش دهد، هرچند میزان بهبود عملکرد به نوع محاسبات و نیاز آن‌ها به بازنشانی کیوبیت‌ها بستگی دارد.
پردازنده‌های بزرگ‌تر جایگزین اتصال ۹ تراشه می‌شوند
نسل سوم نایت‌هاوک با نام Nighthawk R۳ قرار است در سال ۲۰۲۷ با افزایش قابل‌توجه تعداد کیوبیت‌های برنامه‌پذیر معرفی شود و ظرفیت هر پردازنده را از ۱۲۰ به ۵۲۰ کیوبیت برساند. IBM قصد دارد فناوری بازنشانی سریع را در این نسل حفظ کند و با بهبود سایر بخش‌های سخت‌افزاری، تعداد عملیات قابل‌اجرا پیش از افزایش بیش از حد احتمال خطا را نیز بالا ببرد. هدف تعیین‌شده برای این نسل اجرای حدود ۱۰ هزار عملیات دروازه‌ای کوانتومی است که نسبت به هدف عملکردی نسل نخست نایت‌هاوک دو برابر افزایش خواهد داشت. افزایش تعداد کیوبیت‌های برنامه‌پذیر همچنین به معنای پیچیده‌تر شدن ساختار فیزیکی پردازنده است، زیرا اجزای مربوط به بازنشانی و کنترل کیوبیت‌ها نیز باید متناسب با ظرفیت محاسباتی گسترش یابند. در صورتی که نسبت اجزای محاسباتی و بازنشانی در نسل جدید مشابه نسل دوم باقی بماند، هر تراشه می‌تواند نزدیک به ۲ هزار جزء فیزیکی کوانتومی داشته باشد.
تغییر مهم دیگر نقشه راه IBM به شیوه دستیابی به سامانه‌های کوانتومی با بیش از هزار کیوبیت مربوط می‌شود. برنامه قبلی شرکت پیش‌بینی کرده بود که با اتصال ۹ پردازنده ۱۲۰ کیوبیتی نایت‌هاوک، سامانه‌ای با ظرفیت مجموع ۱۰۸۰ کیوبیت ایجاد شود، اما در برنامه جدید تعداد پردازنده‌های موردنیاز به دو تراشه ۵۲۰ کیوبیتی کاهش یافته است. ظرفیت نهایی سامانه جدید به ۱۰۴۰ کیوبیت خواهد رسید که تنها ۴۰ کیوبیت کمتر از هدف قبلی است، اما ساختار سخت‌افزاری آن تفاوت قابل‌توجهی خواهد داشت. این تغییر به IBM اجازه می‌دهد بخش عمده افزایش ظرفیت را از طریق بزرگ‌تر کردن پردازنده‌ها به دست آورد و در مقایسه با طرح قبلی، به ارتباط میان تعداد کمتری از تراشه‌ها نیاز داشته باشد. با این حال، ساخت پردازنده‌های بزرگ‌تر نیز چالش‌های فنی تازه‌ای در زمینه کنترل کیوبیت‌ها، حفظ کیفیت محاسبات و مدیریت اجزای سخت‌افزاری ایجاد می‌کند.
اتصال پردازنده‌های کوانتومی همچنان چالش‌برانگیز است
کاهش تعداد تراشه‌های متصل در برنامه جدید می‌تواند این احتمال را مطرح کند که توسعه فناوری ارتباط بین پردازنده‌های کوانتومی با دشواری‌هایی همراه بوده است، اما مدیران IBM چنین مسئله‌ای را به‌عنوان دلیل تغییر نقشه راه مطرح نکرده‌اند. این شرکت در آزمایش‌های خود موفق شده است با استفاده از چهار اتصال‌دهنده مخصوص، دو پردازنده نسل نخست نایت‌هاوک را در یک سامانه سرمایشی به یکدیگر متصل کند و دقت انتقال حالت کوانتومی را به ۹۹٫۴ درصد برساند. این رقم به هدف بلندمدت ۹۹٫۹ درصدی IBM نزدیک شده است و از پیشرفت فناوری انتقال اطلاعات کوانتومی میان تراشه‌های مستقل حکایت دارد. حفظ دقت بالای انتقال اطلاعات در چنین سامانه‌هایی اهمیت زیادی دارد، زیرا خطا‌های ایجادشده هنگام جابه‌جایی حالت‌های کوانتومی می‌توانند نتایج محاسبات را تحت تأثیر قرار دهند و مزیت افزایش تعداد کیوبیت‌ها را کاهش دهند.
جری چو، مدیر ارشد فناوری ابررایانش کوانتوم‌محور IBM، توضیح داده است که سرعت ارتباط ایجادشده میان پردازنده‌های مجزا با سرعت ارتباط میان کیوبیت‌های موجود در یک تراشه قابل‌مقایسه است. این ویژگی برای توسعه سامانه‌های چندپردازنده‌ای اهمیت دارد، زیرا ارتباط کند میان تراشه‌ها می‌تواند زمان اجرای الگوریتم‌های کوانتومی را افزایش دهد و عملکرد مجموعه را محدود کند. الیور دایل نیز با اشاره به پیشرفت آزمایش‌های ارتباطی تأکید کرده است که تعداد اتصال‌دهنده‌های موردنیاز برای ارتباط مؤثر میان پردازنده‌های مجهز به کیوبیت‌های تصحیح‌شده هنوز در دست بررسی است، اما انتظار نمی‌رود این مسئله بر برنامه کوتاه‌مدت عرضه پردازنده‌های عمومی تأثیر بگذارد. IBM علاوه بر توسعه فناوری ارتباطی، یک سامانه سرمایشی ماژولار را نیز آزمایش کرده است که امکان نگهداری چندین تراشه و اتصالات آن‌ها را در دما‌های نزدیک به صفر مطلق فراهم می‌کند و می‌تواند زیرساخت لازم برای ساخت رایانه‌های کوانتومی بزرگ‌تر را در اختیار شرکت قرار دهد.
دستیابی به کیوبیت‌های منطقی به سخت‌افزار گسترده‌تری نیاز دارد
هدف بلندمدت IBM تنها افزایش تعداد کیوبیت‌های فیزیکی نیست و این شرکت تلاش می‌کند با استفاده از فناوری تصحیح خطا، کیوبیت‌های منطقی قابل‌اعتمادتری ایجاد کند. کیوبیت‌های فیزیکی به دلیل حساسیت زیاد به عوامل محیطی و اختلالات سخت‌افزاری مستعد بروز خطا هستند و استفاده از تعداد زیادی از آن‌ها بدون سازوکار مناسب تصحیح خطا، لزوماً به اجرای محاسبات دقیق‌تر منجر نمی‌شود. در مقابل، کیوبیت منطقی با ترکیب مجموعه‌ای از کیوبیت‌های فیزیکی و اجرای روش‌های تشخیص و اصلاح خطا ایجاد می‌شود تا اطلاعات کوانتومی در برابر اختلالات مقاومت بیشتری داشته باشند. برنامه IBM استفاده از حدود ۳۰۰ کیوبیت فیزیکی برای تشکیل یک مجموعه شامل ۱۲ کیوبیت منطقی است که علاوه بر کیوبیت‌های نگهدارنده اطلاعات، به اجزای سخت‌افزاری دیگری برای اجرای عملیات تصحیح خطا نیاز خواهد داشت. چنین ساختاری به طراحی و آرایش مشخصی از کیوبیت‌ها وابسته است و به همین دلیل، سخت‌افزار مناسب برای آن لزوماً بهترین گزینه برای اجرای مستقیم الگوریتم‌های عمومی نخواهد بود.
دستیابی به بیش از ۱۰۰ کیوبیت منطقی، ظرفیتی که می‌تواند اجرای برخی الگوریتم‌های پیچیده و کاربردی را امکان‌پذیر کند، مستلزم افزایش چشمگیر تعداد کیوبیت‌های فیزیکی و توسعه سامانه‌های چندپردازنده‌ای است. برآورد‌های مطرح‌شده در برنامه IBM نشان می‌دهد که هر تراشه بزرگ در بهترین حالت می‌تواند میزبان یک یا دو مجموعه ۱۲ کیوبیتی باشد و رسیدن به ظرفیت بالاتر از ۱۰۰ کیوبیت منطقی به اتصال دست‌کم پنج پردازنده نیاز خواهد داشت. این شرکت برای تحقق اهداف خود باید علاوه بر افزایش اندازه تراشه‌ها، دقت ارتباط میان پردازنده‌ها را بهبود دهد و زیرساخت‌های سرمایشی و کنترلی موردنیاز برای فعالیت هم‌زمان آن‌ها را توسعه دهد. تغییرات اخیر نقشه راه نشان می‌دهد که IBM اکنون بر افزایش ظرفیت هر پردازنده و کاهش تعداد اتصالات در سامانه‌های عمومی متمرکز شده است، اما تحقق برنامه ساخت رایانه‌های کوانتومی مقاوم در برابر خطا همچنان به پیشرفت هم‌زمان در طراحی تراشه‌ها، فناوری ارتباطی و روش‌های تصحیح خطا وابسته خواهد بود.
انتهای پیام/
