آمازون اولین تراشۀ رایانش کوانتومی خود را معرفی کرد

آمازون وب سرویسز (AWS) امروز از "Ocelot"، اولین تراشۀ محاسبات کوانتومی خود، رونمایی کرد. این تراشه، با وجود داشتن توانایی محاسباتی ابتدایی، به گفته این شرکت، یک نمایش اثبات مفهومی است - گامی در مسیر ساخت ماشینی بزرگ‌تر که بتواند کاربردهای کلیدی وعده داده‌شده در صنعت، مانند شبیه‌سازی‌های سریع و دقیق مواد جدید برای باتری‌ها، را محقق کند.

اسکار پینتر، رئیس بخش سخت‌افزار کوانتومی AWS، می‌گوید: «این نمونه اولیه‌ای است که نشان می‌دهد این معماری مقیاس‌پذیر و از نظر سخت‌افزاری بهینه است.» به‌طور خاص، AWS ادعا می‌کند که رویکرد آن باعث ساده‌تر شدن فرآیند تصحیح خطا که چالشی کلیدی در توسعه رایانش کوانتومی است می‌شود.

Ocelot چگونه کار می‌کند؟

این تراشه شامل نه بیت کوانتومی (کیوبیت) است که روی تراشه‌ای به اندازه حدود یک سانتی‌متر مربع قرار گرفته‌اند. مانند بسیاری از سخت‌افزارهای کوانتومی، این تراشه نیز برای کارکرد صحیح باید تا دمایی نزدیک به صفر مطلق سرد شود.

پنج مورد از این نه کیوبیت از نوعی سخت‌افزار هستند که در این حوزه با عنوان "کیوبیت گربه" شناخته می‌شود. این نام از آزمایش فکری مشهور "گربه شرودینگر" در قرن بیستم گرفته شده است که در آن یک گربه فرضی می‌تواند هم‌زمان هم زنده و هم مرده باشد. این حالت برهم‌نهی یکی از مفاهیم کلیدی در محاسبات کوانتومی است.

کیوبیت‌های گربه‌ای که AWS ساخته است، ساختارهای توخالی کوچکی از جنس تانتالوم هستند که حاوی تابش مایکروویو بوده و به یک تراشه سیلیکونی متصل شده‌اند. چهار کیوبیت باقی‌مانده از نوع "ترانسمون" هستند - مدارهای الکتریکی ساخته‌شده از مواد ابررسانا.

در این معماری، کیوبیت‌های گربه‌ای برای ذخیره اطلاعات و کیوبیت‌های ترانسمون برای نظارت بر اطلاعات ذخیره‌شده در کیوبیت‌های گربه‌ای به کار گرفته می‌شوند. این طراحی AWS را از رایانه‌های کوانتومی گوگل و IBM متمایز می‌کند، زیرا در معماری آن‌ها تمامی بخش‌های محاسباتی از نوع ترانسمون هستند.

تصحیح خطا با سخت‌افزار کمتر

یکی از نقاط قوت کلیدی Ocelot پیاده‌سازی روشی کارآمدتر برای تصحیح خطای کوانتومی است. مانند هر رایانه‌ای، رایانه‌های کوانتومی نیز دچار خطا می‌شوند. بدون تصحیح، این خطاها جمع شده و مانع از اجرای صحیح الگوریتم‌های طولانی مورد نیاز برای کاربردهای عملی می‌شوند. پینتر می‌گوید: «تنها راه داشتن یک رایانه کوانتومی کاربردی، پیاده‌سازی تصحیح خطای کوانتومی است.»

متأسفانه، الگوریتم‌های تصحیح خطای کوانتومی معمولاً به سخت‌افزار زیادی نیاز دارند. سال گذشته، گوگل برای رمزگذاری یک بیت اطلاعات کوانتومی اصلاح‌شده از ۱۰۵ کیوبیت استفاده کرد.

اما استراتژی طراحی آمازون فقط به یک‌دهم این تعداد کیوبیت برای هر بیت اطلاعات نیاز دارد. در مقاله‌ای که روز چهارشنبه در نشریه "Nature" منتشر شد، تیم تحقیقاتی AWS موفق شد یک بیت اطلاعات تصحیح‌شده را در تنها نه کیوبیت Ocelot رمزگذاری کند. از نظر تئوری، این طراحی سخت‌افزاری باید نسبت به طراحی‌های مبتنی بر ترانسمون مقیاس‌پذیری آسان‌تری داشته باشد.

چرا این طراحی مؤثر است؟

دکتر شروتی پوری، فیزیک‌دان دانشگاه ییل، که در این تحقیق مشارکتی نداشته اما در حوزه محاسبات کوانتومی فعالیت دارد، توضیح می‌دهد که ترکیب کیوبیت‌های گربه‌ای و ترانسمون‌ها باعث ساده‌تر شدن فرآیند تصحیح خطا می‌شود و تعداد کیوبیت‌های مورد نیاز را کاهش می‌دهد.

او می‌گوید: «اساساً، تمام خطاهای کوانتومی را می‌توان به دو دسته تقسیم کرد—"بیت‌فلیپ" و "فازفلیپ".»

• بیت‌فلیپ زمانی اتفاق می‌افتد که رایانه به اشتباه مقدار "۱" را به جای "۰" ذخیره کند یا برعکس. این نوع خطا در محاسبات کلاسیک نیز وجود دارد.
• فازفلیپ یک نوع خطای منحصربه‌فرد در محاسبات کوانتومی است که به ویژگی‌های موجی کیوبیت مربوط می‌شود.

طراحی ترکیبی کیوبیت گربه‌ای و ترانسمون، باعث شد که AWS بتواند کامپیوتر کوانتومی خود را به گونه‌ای مهندسی کند که بیشتر خطاها از نوع فازفلیپ باشند. این موضوع به AWS امکان داد تا از الگوریتم تصحیح خطای بسیار ساده‌تری نسبت به گوگل استفاده کند—الگوریتمی که به تعداد بسیار کمتری کیوبیت نیاز دارد.

اهمیت طراحی جدید آمازون

این صرفه‌جویی در سخت‌افزار همچنین به اجرای بهینه دروازه‌ی منطقی "C-NOT" مربوط می‌شود - یک عملیات کلیدی که در تصحیح خطا انجام می‌شود. AWS نشان داده است که اجرای C-NOT در این سیستم، خطاهای بیت‌فلیپ زیادی ایجاد نمی‌کند، که همین مسئله اجازه می‌دهد الگوریتم سادۀ تصحیح خطا همچنان مؤثر باشد.

گام بعدی چیست؟

AWS کار روی طراحی Ocelot را از سال ۲۰۲۱ آغاز کرد. این پروژه یک "مسئله‌ی تمام‌پشته‌ای" بود، زیرا تیم تحقیقاتی مجبور شد روشی جدید برای رشد تانتالوم بر روی تراشه سیلیکونی ابداع کند، به‌گونه‌ای که کمترین نقص اتمی را داشته باشد.

شروتی پوری می‌گوید: «اینکه AWS اکنون می‌تواند چندین کیوبیت گربه‌ای را در یک دستگاه بسازد و کنترل کند، پیشرفت قابل‌توجهی است. هر تلاشی که به افزایش مقیاس این نوع کیوبیت‌ها کمک کند، ارزشمند است.»

اما هنوز راه زیادی در پیش است. برای اجرای محاسبات کوانتومی مفید، کامپیوترهای کوانتومی به هزاران یا حتی میلیون‌ها کیوبیت نیاز دارند. پوری معتقد است که تیم تحقیقاتی باید در ادامه‌ی مسیر، میزان خطاهای ناشی از بیت‌فلیپ را بیشتر کاهش دهد.

با این حال، این اعلامیه نشان‌دهندۀ مسیر آینده‌ی آمازون در حوزۀ محاسبات کوانتومی است. پیش‌تر، AWS تمرکز خود را بر استفاده از کیوبیت‌های ترانسمون مشابه گوگل و IBM قرار داده بود، اما پروژۀ کیوبیت گربه‌ای را به‌عنوان یک "پروژۀ آزمایشی مخفی" دنبال می‌کرد.

پینتر می‌گوید: «حالا تصمیم گرفتیم که این مسیر باید تلاش اصلی مهندسی ما باشد. ما همچنان به برخی تحقیقات آزمایشی ادامه خواهیم داد، اما این مسیر اصلی ما خواهد بود.»

(لازم به ذکر است که استارتاپ "Alice & Bob" در فرانسه نیز در حال ساخت رایانه کوانتومی مبتنی بر کیوبیت‌های گربه‌ای است.)

چالش‌های آینده

در حال حاضر، Ocelot بیشتر یک حافظۀ کوانتومی را به نمایش می‌گذارد. مرحلۀ بعدی این است که تعداد کیوبیت‌ها افزایش یابد، اطلاعات بیشتری رمزگذاری شود و محاسبات واقعی انجام شود.

پینتر می‌گوید: «مقیاس‌پذیری آسان نیست. هنوز چالش‌های زیادی مانند اتصال سیم‌ها و ادغام چندین تراشه وجود دارد.»

Credits: "Amazon’s first quantum computing chip makes its debut" By Sophia Chen, published in MIT Technology Review

Read article here: https://www.technologyreview.com/2025/02/27/1112560/amazon-quantum-computing-chip-makes-its-debut/