موسسه آماری IDC پیش‌بینی می‌کند که تا سال ۲۰۲۳ میلادی، بالغ بر ۲۵ درصد از کمپانی‌های حاضر در لیست ۵۰۰ شرکت برتر از نگاه فورچن، با استفاده از پردازش کوانتومی نوعی مزیت رقابتی خواهند یافت.
با نگاهی به مثال‌های نه‌چندان زیاد استفاده از پردازش کوانتومی در دنیای واقعی، این پیش‌بینی به طور یقین جالب توجه است. و بی‌شمار حوزه مختلف در صنعت تکنولوژی وجود دارد که می‌توانند درستی پیش‌بینی IDC را اثبات کنند.
در واقع طی نمایشگاه Consumer Electronics Show که اوایل سال جاری میلادی برگزار شد، بزرگ‌ترین سر و صدا متعلق نه به اسمارت‌فون‌ها، نه به دیوایس‌های پوشیدنی و نه به تکنولوژی‌های اتومبیل‌های خودران، بلکه متعلق به قدرت پردازشی در حوزه‌ای از فیزیک کوانتوم بود که آلبرت اینشتین آن را «تعاملی اسرارآمیز میان دو نقطه که با یکدیگر فاصله دارند» توصیف کرده.
اگرچه پردازش کوانتومی هنوز نتوانسته به حل مشکلات عدیده جهانی مانند پاندمی ویروس کرونا کمک کند، چنین مشکلاتی دقیقا همان چیزهایی هستند که کوانتوم پتانسیل رسیدگی به آن‌ها را دارد. به گفته آی‌بی‌ام، یکی از بازیگران اصلی حوزه کوانتوم در صنعت تکنولوژی، این پتانسیل بالاخره تبدیل به واقعیت خواهد شد. کیتی پیزولاتو، مدیر واحد IBM QStart می‌گوید: «در دهه‌ای هستیم که پردازش کوانتومی شکلی حقیقی به خود خواهد گرفت».
پیزولاتو می‌گوید که دقیقا به همین خاطر، بهتر است تکنولوژی پردازش کوانتومی در دسترس عموم مردم قرار بگیرد و در اعماق زمین و در تاسیسات پژوهشی مدفون نشود. او با اشاره به حضور قدرتمند آی‌بی‌ام در نمایشگاه CES امسال می‌گوید: «ما می‌خواستیم کوانتوم را از آزمایشگاه‌ها بیرون و به دنیای واقعی آوریم.»
کمپانی‌هایی مانند گوگل، مایکروسو، دی-ویو و ریجتی هم تمایل به پیش راندن کوانتوم دارند و بنابر آخرین گزارش منتشر شده از سوی IDC تحت عنوان «ترندهای استفاده از پردازش کامپیوتری: یافته‌های نظرسنجی سال ۲۰۲۰»، این تکنولوژی در حال دستیابی به گشتاوری مهم است.
بنابر پاسخ‌های ارائه شده از سوی ۵۲۰ تن از متخصصین و کسب‌و‌کارهای حوزه فناوری اطلاعات، استفاده از پردازش کوانتومی و همینطور سرمایه‌گذاری روی آن طی ۱۸ الی ۲۴ ماه آتی افزایش خواهد یافت. نیمی از مشارکت‌کنندگان در این نظرسنجی گفته‌اند که پردازش کوانتومی سهمی بین ۰ الی ۲ درصد از زیرساخت‌های تکنولوژیک سال ۲۰۱۹ داشته است، اما طی ۲۴ ماه آتی این سهم به ۷ الی ۱۰ درصد افزایش خواهد یافت.
برای شرکت‌هایی که بیش از ۱۰ هزار کارمند دارند، هزینه‌ها قابل توجه‌تر خواهد بود - بیش از نیمی از پاسخ‌دهندگان می‌گویند که طی دو سال پیش رو، بین ۹ الی ۱۴ درصد از بودجه را صرف تکنولوژی کوانتوم خواهند کرد.
این افراد ضمنا ذهنیتی روشن از این دارند که می‌خواهند تمرکزشان را روی چه چیزی بگذارند: ۶۵ درصد از مشارکت‌کنندگان برای استفاده از پردازش کوانتومی مبتنی بر کلاد برنامه‌ریزی کرده‌اند و ۴۵ درصد دیگر هم می‌خواهند به استفاده از الگوریتم‌های کوانتومی استفاده کنند (که شامل شبیه‌سازها، هوش مصنوعی، یادگیری ماشین و یادگیری عمیق می‌شود). از سوی دیگر با شبکه‌های کوانتومی (با سهم ۴۵ درصد)، پردازش کوانتومی هیبریدی (۴۰ درصد) و رمزنگاری کوانتومی (۳۳ درصد)، لیست ۵ زمینه برتر کوانتوم از نظر این فعالان حوزه تکنولوژی تکمیل می‌شود.
پس برای اینکه مروری کرده باشیم، افرادی که به IDC پاسخ داده‌اند به پردازش کوانتومی علاقه‌مند بوده، متمایل به کند و کاو بیشتر در زمینه پردازش کوانتومی مبتنی بر کلاد هستند و نخستین آزمون و خطاهای خود با این تکنولوژی را طی ۱۸ الی ۲۴ ماه آتی آغاز خواهند کرد.
چرا کمپانی‌ها پردازش کوانتومی می‌خواهند؟
هدر وست، تحلیلگر ارشد IDC در زمینه سیستم‌های زیرساختی و پلتفرم‌ها و همینطور یکی از نویسندگان گزارش، می‌گوید که پردازش کوانتومی تکنولوژی‌های فعلی را یک گام فراتر برده و به سراغ حل مشکلاتی می‌رود که انبوهی از دیتا راجع به آن‌ها داریم. ضمنا نخستین حوزه‌هایی که بیشتر تمرکز را به خود جلب می‌کنند، هوش مصنوعی، هوش تجاری و افزایش بهره‌وری خواهند بود.
وست می‌گوید: «کمپانی‌های بسیار معدودی استفاده از پردازش کوانتومی را به مرحله عملیاتی رسانده‌اند. مهارت مورد نیاز واقعا پیشرفته است و افرادی بسیار کمی واقعا کوانتوم را درک می‌کنند.» او البته اضافه می‌کند که ما هنوز در مرحله آزمون و خطا با الگوریتم‌های مختلف هستیم و کمپانی‌ها در پی فائق آمدن بر چالش‌هایی مانند هزینه، امنیت و انتقال دیتا هستند. و در ازای این‌ها، از همین حالا می‌توانیم پردازش کوانتومی را در حوزه‌های مالی و تولیدی به کار ببندیم.»
وست عقیده دارد که در برهه کنونی، تمرکز بر اینست که چطور می‌توان پروسه‌ها را بهینه‌سازی کرد. اما در آینده، پردازش کوانتومی به انسان در حل مشکلاتی مانند مواجهه با تغییرات اقلیمی و بیماری‌هایی که به سختی درمان می‌شوند کمک خواهد کرد.
همانطور که او نیز اشاره می‌کند، پردازش کوانتومی مشکلات خودش را هم دارد. از جمله موانع موجود در مسیر به‌کارگیری این فناوری می‌توان به پیچیدگی آن، محدودیت‌های مهارتی، کمبود منابع در دسترس، هزینه بالا و دغدغه‌های امنیتی اشاره کرد. با وجود این حد از چالش، جای تعجب ندارد که وقتی بحث شرکت‌های حامی پردازش کوانتومی پیش می‌آید، در نظرسنجی IDC بیشتر از هر شرکت دیگری، به نام‌های بزرگ حوزه تکنولوژی اشاره می‌شود.
۳۷ درصد از پاسخ‌دهندگان به این نظرسنجی، گوگل را به عنوان سرویس‌دهنده منتخب خود انتخاب کرده‌اند و بعد هم مایکروسو، آی‌بی‌ام و اینتل را به ترتیب با سهم ۳۲ و ۲۷ و ۲۳ درصدی مشاهده می‌کنیم.
درک پردازش کوانتومی
آنچه پردازش کوانتومی را به مراتب قدرتمندتر از پردازش کلاسیک می‌کند، اینست که به جای اتکا بر بیت‌های باینری (که صرفا ۰ یا ۱ هستند)، پردازش کوانتومی از کیوبیت‌ها (Qubit) استفاده می‌کند. کیوبیت‌ها از آن‌جایی که در بی‌شمار ترکیب ۰ و ۱ مختلف به صورت همزمان یافت می‌شوند (همان چیزی که اصل برهم‌نهی نامیده می‌شود)، می‌توانند دیتای بیشتری را پردازش کرده و حجمی عظیم از خروجی‌های مختلف را تحویل دهند.
علاوه بر برهم‌نهی، کیوبیت‌ها می‌توانند به صورت جفتی «در هم بتنند». این در هم تنیدن همان چیزیست که باعث می‌شود کامپیوترهای کوانتومی شدیدا قدرتمند باشند. نکته جالب توجه اینکه هیچکس نمی‌داند چگونه -و اصلا چرا- این اتفاق می‌افتد و به همین خاطر بود که اینشتین از آن به عنوان «تعاملی اسرارآمیز» یاد کرده.
در کامپیوترهای کلاسیک، دو برابر کردن حجم بیت‌ها به شکلی بدیهی به دو برابر قدرت پردازشی بیشتر منتهی می‌شوند. اما به لطف قابلیت در هم تنیدن کیوبیت‌ها، افزودن کیوبیت‌های بیشتر باعث می‌شود قدرت پردازشی به صورت تصاعدی افزایش یابد.
اما اگر پتانسیل قدرت پردازشی کیوبیت‌ها خبری خوب باشد، خبر بد اینست که ماهیتی بسیار شکننده دارند. پیزولاتو از آی‌بی‌ام می‌گوید: «هیچ‌کدام از کیوبیت‌ها با دیگری یکسان نیستند». در واقع کیوبیت‌ها بسیار غیر قابل پیش‌بینی، حساس به نویز محیطی و دارای خطا هستند.
بعد از وقوع یک خطا، کیوبیت‌ها به وضعیت باینتری ۰ و ۱ باز می‌گردند. بنابراین هرچه محاسبات برای مدت زمان بیشتری بدون خطا باقی بمانند، محاسبات بهتری به حساب می‌آیند. پیزولاتو می‌گوید هدف غایی در این حوزه، «مصون ماندن در مقابل خطا» است تا چالش‌برانگیزترین مسائل قابل حل شدن باشند.
می‌پرسید این خطاها چقدر رایج هستند؟ یک نوسان بسیار اندک در دما یا لرزش می‌تواند به پدیده‌ای به نام «ناهمدوسی کوانتومی» منجر شود. و درست در لحظه‌ای که کیوبیت ناهمدوس گردد، محاسبات با خطا روبه‌رو شده و باید از ابتدا آغاز شوند. به همین خاطر کامپیوترهای کوانتومی معمولا در محیط‌هایی با دمای نزدیک به صفر مطلق و به دور از اختلالات جهان بیرون نگهداری می‌شوند.
البته که کیوبیت‌های بیشتر می‌توانند مشکل را حل کنند. پیزولاتو توضیح می‌دهد: «رنج ۵۰ کیوبیت چیزیست که هنگام ساخت یک ابر کامپیوتر، کارتان را با آن آغاز می‌کنید.» آی‌بی‌ام طی پاییز گذشته خبر از ساخت ۱۴مین کامپیوتر کوانتومی‌اش داد که سیستمی ۵۳ کیوبیتی است. آن هم درحالی که کامپیوترهای کوانتومی قبلی‌اش ۲۰ کیوبیتی بودند.
اما این‌طور نیست که در پردازش کوانتوم همه‌چیز راجع به کیوبیت‌ها باشد. «سخت‌افزار در مرکز دایره است، اما بعد الگوریتم‌ها و اپلیکیشن‌های مختلفی هم از راه می‌رسند». به عبارت دیگر، الگوریتم‌های پیچیده‌تر برای موفقیت پردازش کوانتومی در جهان واقعی ضروری هستند. «کوانتوم کاملا راجع به الگوریتم‌هایی که می‌توانید اجرا کنید و میزان پیچیدگی آن الگوریتم‌هاست».
توسعه کوانتومی
شکاف‌های مهارتی به صورت کلی یک مشکل بزرگ برای حوزه فناوری اطلاعات به حساب می‌آیند. در زمینه پردازش کوانتومی، این مشکل چندین برابر بزرگ‌تر هم می‌شود. می‌پرسید توسعه کامپیوترهای کوانتومی توسط چه کسانی انجام می‌شود؟ پیتر روتن، محقق ارشد و یکی از نویسندگان گزارش IDC می‌گوید توسعه الگوریتم‌ها و اپلیکیشن‌ها توسط سه قشر انجام می‌شود:
توسعه‌دهندگانی که به پردازش کوانتومی تمایل نشان می‌دهند، توسعه‌دهندگانی که در گذشته مشاغل مرتبط با فیزیک داشته‌اند و در نهایت افرادی که روی عملیات‌های پردازش با پرفورمنس شدیدا بالا کار می‌کنند. روتن می‌گوید: «اکنون گذاری نرم از الگوریتم‌های HPC به سمت کوانتوم را شاهد هستیم».
در طرف دیگر ماجرا، گوگل، آی‌بی‌ام و دیگر بازیگران هرکدام سخت مشغولند که به مزیت کوانتومی (یعنی نقطه‌ای که پردازش کوانتومی قادر به حل یک مسئله با سرعت بیشتری از پردازش کلاسیک است) و برتری کوانتومی (زمانی که پردازش کوانتومی قادر به حل مسائلی است که هیچ کامپیوتر رایجی از پس آن‌ها برنمی‌آید) دست پیدا کنند.
در واقع آی‌بی‌ام اخیرا به صورت عمومی ادعای گوگل مبنی بر دستیابی به برتری کوانتومی با کامپیوتر ۵۳ کیوبیتی‌اش را تکذیب کرد و محققانش گفتند که گوگل نتوانسته منابع ابر کامپیوترش را به درستی تخمین بزند. بلاگ IBM Research طی ماه اکتبر گذشته چنین چیزی نوشت:
تصویری که در بالا می بینید متعلق به یکی از کامپیوترهای کوانتومی گوگل است که بدون محفظه خنک کننده اش از آن عکس گرفته شده است.
ساخت سیستم‌های کوانتومی، دستاوردی بزرگ از نظر علمی و مهندسی است و بنچمارک کردن آن‌ها هم چالشی عظیم. آزمایش گوگل یک نمایش معرکه از پیشرفت پردازش کوانتومی ابر رسانا است و نشان‌دهنده دروازه‌هایی که یک دیوایس ۵۳ کیوبیتی باز می‌کند. اما نباید به این دیوایس به چشم مدرکی دال بر «برتری» کامپیوترهای کوانتومی بر کامپیوترهای کلاسیک نگاه کرد.
روتن می‌گوید علی‌رغم اینکه شرکت‌های برتر حوزه تکنولوژی به دنبال جایگاهی برتر در زمینه کوانتوم هستند، موضوع راجع به رقابت مستقیم میان رقبا نیست. «مقایسه [کاری که هرکدام از] آن‌ها [انجام می‌دهند] دشوار است. هیچکس نمی‌تواند به شما بگوید [چه کسی در این حوزه جلو افتاده] چون آن‌ها پیشرفت‌های خود را به طرق گوناگون اندازه‌گیزی می‌کنند. اینکه حوزه کوانتوم را یک رقابت به حساب آوریم، کاری احمقانه است».
وست هم بر این موضوع صحه گذاشته و می‌گوید پیشرفت‌های کوانتومی از طریق همکاری‌های تکنولوژیک و توسط جامعه توسعه‌دهندگان به دست خواهند بود. «قرار نیست تمام ماجرا تا پایان مثل یک مسابقه باشد. به خاطر اینکه شاید تنها یک پاسخ وجود نداشته باشد».
ای‌بی‌ام به نوبه خودش شبکه‌ای از ۱۰۰ شریک تجاری (مانند گلدمن ساکس، اکسان موبایل و اکنچر)، آکادمیک (مانند ام‌آی‌تی، ویرجینیا تک و جان هاپکینز)، استارتاپی، دولتی و تحقیقاتی فراهم آورده است. اما حتی با تلاش‌های امثال گوگل، آی‌بی‌ام و مایکروسو برای به پیش راندن پردازش کوانتومی و رسیدن از مزیت به برتری، هیچکس نمی‌داند بزرگ‌ترین ابداع توسط چه کسی صورت خواهد گرفت. پیزولاتو می‌گوید: «ارزشمندترین بازیگر این حوزه، احتمالا یک دانشمند در یک دانشگاه باشد».