این شما و این خفن‌ترین کامپیوتر کوانتومی ایران!

سارا طاهریخبرنگار

«در دانشگاه آزاد توانسته‌ایم کامپیوتر کوانتومی را داشته باشیم که در منطقه حرف اول را می‌زند.» این خبری است که دکتر طهرانچی رئیس دانشگاه آزاد در برنامه برمودا اعلام کرد. جملاتی که سرآغاز خبری مهم و مسرت‌بخش برای جامعه علمی و فناوری ایران است. البته بحث بر سر کامپیوتر کوانتومی دانشگاه آزاد خیلی قبل‌تر رسانه‌ای شده بود اما خبرهای پیشین بیشتر درباره ساخت این کامپیوتر بود ولی حالا آن طور که دکتر طهرانچی نوید داده است، ساخت این کامپیوتر تمام شده و حالا این دانشگاه کامپیوتری دارد که در منطقه حرف اول را می‌زند. دانشگاه آزاد با درک عمیق از اهمیت راهبردی فناوری کوانتومی، سرمایه‌گذاری قابل‌توجهی در این حوزه انجام داده است. راه‌اندازی مرکز تحقیقات کوانتومی در واحد علوم و تحقیقات گواه بر این مدعاست. مرکزی که با حضور نخبگان و پژوهشگران برجسته، فضایی پویا برای تحقیق‌وتوسعه در زمینه علوم و فناوری‌های کوانتومی فراهم کرده است و این روزها به‌عنوان قطب مهم رایانش کوانتوم کشور شناخته می‌شود.

کوانتومی؛ انقلابی در دنیای محاسبات

علم کوانتوم سابقه بیش از صدسال دارد، اما ورود به بحث فناوری‌های کوانتومی به‌صورت جدی، در چند دهه اخیر اتفاق افتاده و کشورها به سمت آن حرکت کرده‌اند.
این فناوری مانند سایر فناوری‌های نوظهور، دارای پیامدهایی در زندگی انسان‌هاست و این دولتمردان هستند که تصمیم می‌گیرند به سمت پیامدهای مثبت یا منفی این علم حرکت کنند. به طور مثال در زمینه امنیت سایبری، رایانش کوانتومی می‌تواند به توسعه سیستم‌های رمزنگاری نفوذناپذیر و همچنین مقابله با تهدیدات سایبری پیچیده کمک کند.
حل مسائل بهینه‌سازی در صنایع مختلف مانند لجستیک، مالی و انرژی نیز از دیگر کاربردهای مهم این فناوری است. علاوه بر این، رایانش کوانتومی می‌تواند به پیشرفت‌های چشمگیری در زمینه هوش مصنوعی و یادگیری ماشین منجر شود و امکان تحلیل حجم عظیمی از داده‌ها را با سرعت و دقت بالا فراهم کند.

کوانتومی چه تفاوتی با کامپیوتر کلاسیک دارد؟

برای آن که بتوانیم به درک درستی از های کوانتومی برسیم باید به تفاوت آن با کامپیوترهای کلاسیک نگاهی داشته باشیم. کامپیوترهای کلاسیک، اطلاعات را در قالب بیت‌هایی پردازش می‌کنند که تنها می‌توانند دو مقدار صفر یا یک را بپذیرند. این سیستم، اگرچه در دهه‌های اخیر منشأ تحولات عظیمی بوده است، اما در مواجهه با مسائل بسیار پیچیده، به محدودیت‌های خود می‌رسد. در مقابل، کامپیوترهای کوانتومی از کیوبیت‌ها (بیت‌های کوانتومی) بهره می‌برند. کیوبیت‌ها به لطف پدیده‌های شگفت‌انگیز مکانیک کوانتومی قادر هستند به طور هم‌زمان مقادیر صفر، یک و ترکیبی از این دو را نمایندگی کنند. این ویژگی منحصربه‌فرد، توان محاسباتی کامپیوترهای کوانتومی را به‌صورت نمایی افزایش می‌دهد. به عبارت بهتر محاسبات کوانتومی، نوعی از محاسبات است که به‌جای استفاده از بیت‌های سنتی، از کیوبیت‌ها (Qubit) بهره می‌برد. برخلاف بیت‌ها که تنها می‌توانند مقدار ۰ یا ۱ داشته باشند، کیوبیت‌ها می‌توانند در حالت‌های مختلفی به طور هم‌زمان باشند؛ حالتی که به آن برهم‌نهی کوانتومی (Quantum Superposition) می‌گویند.
درنتیجه، با استفاده از این خاصیت می‌توان حجم دیتاهای ورودی به یک سیستم کوانتومی را به‌صورت موازی انجام داد و زمان انجام محاسبات به طور نمایی کاهش پیدا می‌کند. به طور مثال در حل مسائل پیچیده می‌توان از این استفاده کرد. مسائلی مانند بهینه‌سازی، شبیه‌سازی مولکول‌ها، و تحلیل داده‌های عظیم با سرعت بسیار بیشتری قابل‌حل خواهند بود. تسریع در هوش مصنوعی از کاربردهای دیگر است؛ آموزش مدل‌های یادگیری ماشین با کمک الگوریتم‌های کوانتومی بسیار سریع‌تر خواهد شد. در داروسازی و پزشکی نیز وضع به همین صورت است؛ در واقع شبیه‌سازی دقیق مولکول‌ها برای کشف داروهای جدید اتفاق می‌افتد. در مسائل بانکداری و مالی و تحلیل سریع ریسک‌ها و پیش‌بینی بازار نیز می‌توان از این کامپیوتر استفاده کرد. لجستیک حوزه دیگر کاربرد این نوع از کامپیوتر است. یعنی بهینه‌سازی مسیرها و مدیریت زنجیره تأمین.
دکتر طهرانچی به شکل ساده‌تری تفاوت این با نوع کلاسیک آن را توضیح داد و گفت: «در کامپیوترهای کلاسیک یک «پروسسور» دارید که با «صفر و یک‌ها» و «گیت‌ها» محاسبات را انجام می‌دهد و در واقع ریاضیات را به میکروالکترونیک بردیم.»
به گفته او در های کوانتومی، ریاضیات به محیط مولکول و اتم برده می‌شود. در واقع در اینجا به‌جای چیپ‌های میکروالکترونیکی، با اتم‌هایی سروکار داریم که به‌اصطلاح کنار هم قرار می‌گیرند و درهم‌تنیده می‌شوند. نتیجه این امر، همان قدرت محاسباتی است که دکتر طهرانچی از آن به‌صراحت صحبت کرد و گفت در کاری که یک کامپیوتر در ده‌هزار سال می‌توانست انجام دهد در کامپیوترهای در کسری از ثانیه انجام می‌شود. توانی که کامپیوترهای کوانتومی را از همتایان کلاسیک خود متمایز می‌کند. در سال‌های اخیر، مراکز تحقیقاتی و دانشگاه‌های متعددی در ایران به تحقیق‌وتوسعه در زمینه فناوری‌های کوانتومی پرداخته‌اند. به طور مثال مرکز کوانتوم دانشگاه صنعتی شری، مرکز تحقیقات فناوری‌های کوانتومی ایران (IQTEC)، مرکز علوم و فناوری کوانتومی (CQST) در اصفهان، مرکز تحقیقات نانوترونیکس در دانشگاه علم و صنعت ایران و پژوهشکده فوتونیک و فناوری‌های کوانتومی سازمان انرژی اتمی ایران از جمله مراکز فعال در این حوزه هستند. اما یکی از مراکزی که این روزها به‌عنوان مهم‌ترین مرکز تحقیقات دانشگاهی در این حوزه شناخته می‌شود مرکز تحقیقات کوانتومی دانشگاه آزاد واحد علوم و تحقیقات است. اما چرا مسئولان دانشگاه آزاد به این حوزه ورود کرده و ساخت چنین کامپیوتری را به واحد علوم و تحقیقات سپردند؟ در پاسخ باید گفت این سیستم اولین و تنها کامپیوتر کوانتومی با قابلیت اجرای گیت و الگوریتم کشور است. باتوجه‌به اهمیت روزافزون محاسبات سریع کوانتومی، مسئولان دانشگاه این نیازمندی را برای کشور احساس کردند که هرچه سریع‌تر زیرساخت کشور را به این فناوری مهم و مورد نیاز تجهیز کنند.
در این میان واحد علوم و تحقیقات که بزرگ‌ترین واحد دانشگاهی در سیستم دانشگاه آزاد است باتوجه‌به دارابودن زیر ساخت خوب علمی، استادان، محققان و دانشجویان نخبه و تجهیزات مناسب‌ترین مکان برای شروع این پروژه و استقرار سیستم مذکور بود.
در این میان واحد علوم و تحقیقات تهران بزرگ‌ترین واحد دانشگاهی دانشگاه آزاد است که تقریباً دارای 50 هزار نفر دانشجو و 3 هزار عضو هیات علمی در رشته‌های مختلف است؛ بنابراین دارای منبع خوبی از نیروی متخصص انسانی است که برای انجام پروژه‌های ملی بزرگ مانند فناوری‌های کوانتومی می‌توان از آنها کمک گرفت.
در تأسیس مرکز تحقیقات فناوری کوانتومی نیز از همین نیروها استفاده شد که در حال حاضر این فرایند را جلو بردند. از سوی دیگر این واحد دانشگاهی دارای آزمایشگاه‌ها و دستگاه‌های مدرن و مرتبط این حوزه نیز بود که محل استقرار این دستگاه‌ها به‌صورت منظم و یکپارچه استقرار داده شد و مراحل اولیه شکل‌دهی این مرکز تحقیقات شکل گرفت.

کامپیوتر کوانتومی چگونه محاسبات را سریع‌تر انجام می‌دهد؟ 

کامپیوترهای کوانتومی قادر به انجام پردازش‌های کوانتومی هستند، به‌وسیله پردازش‌های کوانتومی و با استفاده از کیوبیت (Qubit) به‌جای بیت کلاسیک، می‌توان مسائلی که برای کامپیوترهای کلاسیک پیچیده‌اند را در زمان خیلی کمی با استفاده از فیزیک کوانتومی حل کرد. ازآنجایی‌که کامپیوترهای کوانتومی از پدیده‌های کوانتومی مانند برهم‌نهی و درهم‌تنیدگی برای پردازش اطلاعات استفاده می‌کنند. این امر باعث می‌شود که این کامپیوترها نسبت به کامپیوترهای کلاسیک در برخی از محاسبات بسیار سریع‌تر عمل کنند.
به‌عنوان‌مثال Sycamore یک کامپیوتر کوانتومی است که در سال 2019 توسط کمپانی گوگل ساخته شد و یکی از پر سروصداترین کامپیوترهای ساخته شده تاکنون بوده است. این کامپیوتر از 54 کیوبیت ابررسانا (Superconducting) تشکیل شده است. هدف از طراحی این کامپیوتر، انجام وظیفه‌ی خاصی که با نام سمپلینگ تصادفی مدار یا Random Circuit Sampling شناخته می‌شود، بود. کامپیوتر Sycamore گوگل توانست پردازشی را تنها در 200 ثانیه انجام دهد؛ در حالی که بزرگ‌ترین سوپرکامپیوتر آن موقع یعنی IBM Summit برای حل این مسئله به 10 هزار سال زمان نیاز داشت یعنی کامپیوتر کوانتومی گوگل چیزی حدود 158 میلیون بار سریع‌تر این پردازش را انجام داد.

از بستر یون به‌دام‌افتاده در کامپیوتر کوانتومی دانشگاه آزاد

یکی از سؤالاتی که در اینجا مطرح می‌شود این است که از چه فناوری کوانتومی در این سیستم شده است؟ در کامپیوتر کوانتومی دانشگاه آزاد از بستر یون به‌دام‌افتاده استفاده شده است. در این سیستم، این عملیات‌ها با گیت‌های منطقی کوانتومی هستند و پژوهشگران به کمک یون‌ها می‌توانند گیت‌ها را میان هر زوج یون در این زنجیره مدیریت کنند. تعدادی از این یون‌ها در میدان‌های الکتریکی و رادیویی محبوس شده یا «به دام می‌افتند»، سپس یون‌ها را نیز می‌توان با اعمال باریکه‌های لیزر مناسب درهم‌تنید. در نهایت نور لیزر تنظیم‌شده هر یون را به شکل خاصی دستخوش تغییر می‌کند که به حالت آن بستگی دارد. در سیستم‌های یون ترپ، حرکت جمعی زنجیره‌ای از یون‌ها همانند گذرگاه داده‌ها عمل می‌کند که موجب می‌شود کیوبیت‌ها بتوانند با یکدیگر حرف بزنند.
در حال حاضر این سیستم دارای 30 کیوبیت است که قرار است طبق نقشه راه مرکز تحقیقات فناوری‌های کوانتومی دانشگاه آزاد اسلامی، تا سال 1407 به 108 کیوبیت ارتقا پیدا کند.

کدام کشورها کامپیوتر کوانتومی دارند؟

طبق خبرهای انتشاریافته در سطح منطقه کشورهای روسیه، ترکیه، عربستان و رژیم صهیونیستی در حال کار در زمینه ریانش کوانتومی هستند و البته روسیه در حال ساخت سیستم 20 کیوبیتی یون به‌دام‌افتاده و سیستم ابر رساناست. ترکیه از یک سیستم پنج کیوبیتی ابررسانا در چندکاه پیش رونمایی کرد و کشور عربستان ورود به ساخت سیستم اتم خنثی با همکاری شرکت پاسکال فرانسه کرده است.
رژیم صهیونیستی نیز دارای یک سیستم یون ترپ 8 کیوبیتی است. این در حالی است که همان‌طور که پیش‌تر گفته شد کامپیوتر کوانتومی دانشگاه آزاد در حال حاضر دارای 30 کیوبیت است که نرخ فیدلیتی تک کیوبیت برابر 99.5 درصد و برای دو کیوبیت 98.9 درصد است که البته مسئولان دانشگاه در تلاش برای بهینه‌سازی این مقدار هستند.
هرچند آماده‌سازی الگوریتم‌ها به زبان سیستم یون ترپ کار مشکلی است و تعداد کیوبیت‌های بیشتری باید وارد محاسبات شوند که این موضوع در نقشه راه مرکز تحقیقات کوانتومی دانشگاه آزاد قرار دارد.
در این سیستم تقریباً بیش از 3 هزار قطعه به کار برده شده است و از آن جایی که آماده‌سازی الگوریتم‌ها به زبان سیستم یون ترپ کار مشکلی است پس طبیعتاً شامل هزینه‌های نگهداری است که البته دانشگاه آزاد در این مسیر تدابیر لازم را اندیشیده است.

استفاده از کامپیوترهای کوانتومی در صنایع مختلف

کامپیوترهای کوانتومی به دلیل قدرت محاسباتی بالقوه بسیار بالا، در صنایع مختلف کاربردهای روبه‌رشدی دارند. هر چند این فناوری هنوز در مراحل اولیه توسعه و تجاری‌سازی قرار دارد اما پتانسیل آن برای ایجاد تحول در صنایع گوناگون بسیار زیاد است. در واقع در تمام حوزه‌های صنعت می‌توان از کامپیوترهای کوانتومی بهره‌مند شد اما موضوع مهم در مقرون‌به‌صرفه بودن این فرایند است زیرا کار با کامپیوتر کوانتومی فرایند آسانی نیست و پیچیدگی‌های خاص خود را دارد.
همان‌طور که در استفاده سیستم‌های کلاسیک نمی‌توان تمایزی قایل شد و هر صنعتی بنا به ملزومات خود نوع نیاز را معرفی می‌کند، برای سیستم‌های محاسبات کوانتومی نیز چنین است و هر حوزه پیگیر حل نیازمندی‌های خود با این فناوری است.

ورود به انجام پروژه‌های علمی با کامپیوتر کوانتومی

یکی از موضوعاتی که دانشگاه آزاد در سال‌های اخیر به آن ورود کرده است بحث ورود به حل مسائل کشور است. بنابراین قطعاً یکی از مهم‌ترین کارویژه‌های این کامپیوتر حل مسائل واقعی و انجام یک سری پروژه‌های علمی است. بر همین اساس طبق نقشه راه ترسیم شده مرکز تحقیقات فناوری کوانتومی دانشگاه آزاد واحد علوم و تحقیقات، مسئولان دانشگاه در حال انجام پروژه‌های علمی با استفاده از این سیستم هستند. چند پروژه در زمینه شبیه‌سازی و اجرای گیت و الگوریتم نیز در این حوزه تعریف شده است.
البته باتوجه‌به پیچیدگی‌ها کار با کامپیوتر کوانتومی یون ترپ، فقط متخصصان این حوزه که شاغل در مرکز تحقیقات کوانتومی هستند مسئول کارکردن با این سیستم هستند. هرچند مسئولان دانشگاه از چند ارگان مختلف نیز نیازمندی را در قالب پروژه دریافت کرده و در حال‌کردن با روی این پروژه‌ها هستند. شاید برای خیلی‌ها این سؤال مطرح باشد که آیا کامپیوترهای کوانتومی روزی جایگزین کامپیوترهای کلاسیک خواهند شد یا مکمل آنها هستند؟ در پاسخ باید گفت آنچه تاکنون به نظر می‌رسد کامپیوترهای کوانتومی نمی‌توانند جایگزین کامپیوترهای کلاسیک برای استفاده روزمره انسان‌ها شود همان‌طور که کامپیوترهای کلاسیک امروزه نتوانستند جایگزین ماشین‌حساب برای محاسبات روزانه شوند. زیرا هم مقرون‌به‌صرفه نیست و هم کار با سیستم‌های کوانتومی نیاز به دانش تخصصی دارد بنابراین فقط برای محاسبات خاص که در توان کامپیوترهای کلاسیک نیست می‌توان از کامپیوترهای کوانتومی استفاده کرد.

رونمایی از سامانه توزیع کلید کوانتومی در آینده نزدیک

مسئولان دانشگاه آزاد در نظر دارند تا قبل از انتهای سال بتوانند از سامانه توزیع کلید کوانتومی در فضای آزاد رونمایی کنند. اگر کامپیوتر کوانتومی را یک آفند برای شکستن رمزنگاری‌های مخابراتی امروزه در نظر بگیریم، مخابرات کوانتومی را می‌توان به‌عنوان پدافند آن در نظر گرفت و استفاده از این زیرساخت می‌تواند سیستم‌های ارتباطی ما را در برابر حملات کوانتومی مصون نگه دارد، بنابراین آماده‌سازی اجرای مخابرات کوانتومی (Quantum Key Distribution) در کشور از موارد ضروری و مورد نیاز در تأمین امنیت ارتباطی است و باید مورد توجه قرار گیرد.

طلوع عصر کوانتوم در ایران

آن‌طور که به نظر می‌رسد دستیابی دانشگاه آزاد به فناوری رایانش کوانتومی، نقطه عطف مهمی در تاریخ علم‌وفناوری ایران خواهد بود. اتفاقی که تنها نشان از توانمندی‌های بالای علمی و پژوهشی این دانشگاه دارد، بلکه گامی بلند در راستای ورود ایران به عصر کوانتوم است. بسیاری از مسئولان دانشگاه آزاد معتقدند باتوجه‌به پتانسیل عظیم رایانش کوانتومی در تحول صنایع و توانمندسازی نوآوری، این پیشرفت می‌تواند نقش بسزایی در توسعه و پیشرفت کشور در آینده ایفا کند. اتفاقی که دانشگاه آزاد پیش‌گام در آن بوده و ایران را در مسیر تبدیل‌شدن به یک بازیگر مهم در عرصه فناوری‌های کوانتومی جهان قرار داده است.