نه هوش‌مصنوعی و نه چاپ سه‌بعدی؛ آینده واقعی یعنی کامپیوتر کوانتومی

وقتی به لامپ ادیسون نگاه می‌کنم و به‌خصوص در مقایسه با لامپ کم‌مصرفی که در اتاقم دارم، خدا را شکر می‌کنم که قرن بیست‌ویکم را به چشم دیده‌ام. به‌خصوص که زیر این لامپ کامپیوتری قدرتمند قرار دارد. اما واقعیت این است که کامپیوتری که من در سال 2018 دارم، در مقایسه با تصوری که فیزیکدان‌ها از کامپیوتر دارند، ابزاری ساده و غیربهینه، به‌سادگی لامپ ادیسون است. شاید باورش سخت باشد که در بهترین حالت ما کامپیوترهایی به‌شدت ضعیف و ابتدایی داریم. قدرتمندترین لپ‌تاپی که امسال می‌توانید بخرید، در مقایسه با یک کامپیوتر کوانتومی به لامپی رشته‌ای، کم‌نور و پرمصرف شباهت دارد.

شاید وقتی از آینده حرف می‌زنیم به فکر دستیارهای صوتی هوشمند، چاپ سه‌بعدی، کاغذ الکترونیک و یا فضاپیمای شخصی بیفتیم. اما آن چیزی که واقعا آینده را آینده می‌کند کامپیوتر کوانتومی است. البته در یک مقاله نمی‌شود عملکرد کامپیوتر کوانتومی را تشریح کرد. دست‌کم اول باید هشت واحد کوانتوم مکانیک پاس کنید. اما می‌خواهم به زبانی ساده توضیح دهم که این ابرکامپیوترها چطور شکل تمام دنیا را تغییر خواهند داد.

کامپیوترهای دیزلی ما

کامپیوترهایی که امروز در اختیار ما است می‌توانند بازی‌هایی با گرافیک بالا را اجرا کنند یا در طراحی سیستم‌های مهندسی به یاری ما بیایند. اما این کامپیوترها هنوز در انجام بسیاری از کارها ضعیف هستند. یکی از مهم‌ترین ضعف‌های این کامپیوترها در حل مسئله بهینه‌سازی است. مثلا فرض کنید قرار است دو نفر کنار هم بنشینند. ما دو انتخاب داریم. فرد اول سمت راست بنشیند یا سمت چپ. اگر قرار باشد سه نفر کنار هم بنشینند، تعداد انتخاب‌های ما سه برابر (سه فاکتوریل یا شش حالت) خواهد شد.

اگر بخواهیم تعداد حالت‌هایی که ده نفر کنار هم می‌نشینند را حساب کنیم باید «!10» حالت یا سه میلیون و شش‌صد و بیست‌وهشت هزار و هشت‌صد حالت مختلف را با هم مقایسه کنیم. شاید گفتن بیست فاکتوریل آن‌قدر سخت نباشد. اما بیست فاکتوریل برابر است با 2،432،902،008،176،640،000 حالت. این عدد سیصد میلیون بار از جمعیت زمین بیشتر است.

یک مولکول عادی آنزیم، شبیه‌سازی این مولکول با ریاضیات خالص غیرممکن به‌نظر می‌رسد.

حالا اگر بخواهیم با یک کامپیوتر تعداد حالت‌هایی که این بیست نفر می‌توانند کنار هم بنشینند را مقایسه کنیم و بعد بهترین را انتخاب کنیم، کار وحشتناک خواهد شد. باید حالت اول را با تمام حالت‌های دیگر مقایسه کنیم و بعد به سراغ حالت دوم برویم. برای حالت دوم لازم نیست حالت اول را دوباره بررسی کنیم. اما کم شدن این یک حالت مسئله را چندان ساده نمی‌کند.

حالا چه می‌شود اگر بخواهید شهری با جمعیت 10 میلیون نفر را بهینه کنید؟ اگر بخواهید فقط یک مولکول DNA را شبیه‌سازی کنید. اگر بخواهید تمام عوامل موثر در قیمت سهام را تحلیل کنید. اگر… آن‌وقت است که فریاد می‌زنید «من یک کامپیوتر واقعی می‌خواهم!» همان‌طور که توضیح خواهیم داد، کامپیوتری که شما می‌خواهید، یک کامپیوتر کوانتومی است.

پایان عصر کامپیوتر

علاوه بر مشکلی که به آن اشاره کردیم، کامپیوترهای امروزی به مرز اشباع نزدیک شده‌اند. امروز توانسته‌ایم ضخامت لایه‌های نازک در کامپیوتر را به 20 اتم کاهش دهیم. این روند تا ضخامت 5 اتم ادامه پیدا خواهد کرد. اما دیگر نمی‌شود از این فراتر رفت. در این ابعاد هر لرزش، تغییر دما، گرمای حاصل از پردازش و حتی امواج رادیویی کار را خراب خواهد کرد. در این ابعاد، فیزیک دست‌وپای ما را می‌بندد نه مهندسی. برای کسانی که با اصل عدم قطعیت آشنا هستند این موضوع واضح‌تر است. طبیعت به ما اجازه ساختن چیپ‌ستی از این نازک‌تر را نمی‌دهد.

اما وقتی به مرز کوانتومی برسیم چه اتفاقی می‌افتد؟ پردازنده جدید اینتل درست مشابه مدل سال قبل خواهد بود. آیفونی که از مدل قبلی قوی‌تر نیست. روی بیلبوردها می‌نویسند لپ‌تاپ جدید دل، با همان قدرت مدل سال قبل! در این صورت چه کسی حاضر می‌شود لپ‌تاپ یا گوشی خود را عوض کند؟ سیلیکون‌ولی به گل می‌نشیند، عده زیادی بی‌کار می‌شوند و بازار پررونق کامپیوترها و تلفن‌های هوشمند از رونق می‌افتد. مگر، مگر آن‌که روی بیلبورد نوشته باشند: کامپیوتر جدید دل، با پردازنده کوانتومی!

راستش را بخواهید امروز به این مرز خیلی نزدیک شده‌ایم و آیفون 2018 فرق معناداری با مدل سال قبل ندارد. مگر در صفحه‌نمایش و دوربین دوگانه و امکاناتی از این دست. اما قدرت پردازش آن‌قدر که فکر می‌کنیم متفاوت نیست.

کامپیوتر کوانتومی چطور کار می‌کند؟

اساس کار یک کامپیوتر سنتی، بر پایه بیت‌ها است. یک بیت می‌تواند مقداری برابر 0 یا 1 داشته باشد. کامپیوتر این بیت‌ها را کنار هم می‌گذارد و یک بایت درست می‌کند. حتما می‌دانید که یک میلیارد از این بایت‌ها یک گیگابایت می‌‌سازند. بر روی این یک گیگابایت شما می‌توانید اطلاعات زیادی ذخیره کنید.

حجم اطلاعات یک‌چیز است و سرعت پردازش این اطلاعات داستانی کاملا متفاوت. مثلا یک فیلم اچ‌دی ده‌ساعته می‌تواند نزدیک به 10 گیگ حجم داشته باشد. یک فیلم 4K به طول یک ساعت هم همین مقدار حجم دارد. اما پردازش هر فریم از فیلم 4K به پردازنده‌ای قوی‌تر نیاز دارد. برای همین شما می‌توانید فیلم اچ‌دی 10 گیگی را روی یک کامپیوتر قدیمی پخش کنید. اما پخش فیلم 4K به پردازنده‌ای جدید نیاز دارد.

امروز با 15 میلیون دلار می‌توانیم یک کامپیوتر کوانتومی با 2000 کیوبیت بخریم.

کامپیوتر کوانتومی به‌جای بیت، از کیوبیت ( Qubit ) استفاده می‌کند. یک حالت بسیار ساده از یک کیوبیت شامل الکترونی است که اگر اسپین بالا (UP) داشته باشد برابر با 1، و اگر اسپین پایین (Down) داشته باشد برابر 0 خواهد بود. اما کیوبیت دو تفاوت اصلی با بیت‌های سنتی دارد. اول آن که کیوبیت می‌تواند بر روی یک کره، هر مقداری بین 0 و 1 را اختیار کند. پس یک بیت کوانتومی دقیقا معادل یک بیت سیلیکونی نیست.

از طرف دیگر در اختیار داشتن 8 بیت سنتی به 8 جایگاه منجر می‌شود که هر جایگاه می‌تواند 0 یا 1 باشد. اما به خاطر برهم‌نهی کوانتومی داشتن 8 کیوبیت منجر به 256 حالت می‌شود که هر حالت می‌تواند هر مقداری بین 0 و 1 را اختیار کند. اگر ما 49 کیوبیت داشته باشیم می‌توانیم به هفتاد هزار حالت کوانتومی دست پیدا کنیم. یعنی چیزی معادل 70 ترا حالت. این کامپیوتر کوانتومی تنها با 49 بیت، قدرتی برابر قوی‌ترین کامپیوتر امروز دارد. از 49 کیوبیت به بعد، آینده آغاز می‌شود.

سرعت پردازش کامپیوتر کوانتومی

فرض کنید توانسته‌ایم 49 کیوبیت را بر روی یک چیپ به‌اندازه ناخن جای بدهیم. همان‌طور که دیدیم با این 49 حالت می‌توانیم به 70 ترابایت حافظه کوانتومی دست پیدا کنیم. کافی است ابعاد این حافظه را با ابعاد حافظه دوترابایتی SSD مقایسه کنید (ابعاد هاردهای سنتی بماند). اما موضوع اینجا است که آیا این حافظه کوانتومی می‌تواند به‌اندازه SSD سریع باشد؟

این پرسش مثل این است که بگوییم آیا لامبورگینی اونتادور می‌تواند به‌اندازه سه‌چرخه سریع باشد؟ یک کامپیوتر سنتی مجبور است هر حالت را جداگانه انتخاب کند، آن را کنار حالت‌های دیگر بگذارد، مقایسه کند و کم‌ترین (یا بیشترین) مقدار را انتخاب کند و پیش برود. یعنی درآن‌واحد فقط می‌تواند به یک حالت فکر کند، هرچند این آن واحد خیلی سریع است. ولی یک کامپیوتر کوانتومی اسیر این قید ( جای گزیدگی ) نیست.

این کامپیوتر می‌تواند درآن‌واحد در یک حالت، حالتی دیگر یا هر دو به‌صورت هم‌زمان باشد. یعنی او می‌تواند تمام چند میلیارد حالت را درآن‌واحد کنار هم بگذارد و کم‌ترین یا بیشترین را انتخاب کند. این کامپیوتر نیازی ندارد برنامه‌های طولانی را خط به خط بخواند و اجرا کند. بلکه فارغ از قید زمان و مکان کامپیوتر کوانتومی می‌تواند تمام خطوط را هم‌زمان بخواند. ساده‌ترین دستاورد این کامپیوتر خداحافظی با رنجی به نام loading خواهد بود. اما این موضوع در مقابل کاربردهای اصلی کامپیوتر کوانتومی هیچ است.

تحول در علم شیمی، درمان بیماری با اپ نه با دارو

علم شیمی از زمان کیمیاگری تا امروز خیلی تغییر کرد. حالا ما می‌دانیم اسید و باز چطور واکنش می‌دهند و کدام مواد بر یکدیگر اثر می‌گذارند. اما حقیقت آن است که ما از نحوه دقیق عملکرد تک‌تک اتم‌ها بر روی هم در یک واکنش شیمیایی بی‌خبریم. ما نمی‌توانیم مولکول‌های درشتی مثل آنزیم‌ها را با ریاضیات خالص مدل کنیم و بعد تاثیر این مدل ریاضی بر روی یک مولکول درشت مثل پروتئین را محاسبه کنیم. ما از ورودی و خروجی واکنش آنزیم- پروتئین با خبریم. اما از جزئیات این واکنش بی‌خبر.

چیپست 72 کیوبیتی گوگل

یک کامپیوتر کوانتومی بجای آن که تعداد حالت‌های کنار هم نشستن آدم‌ها را مدل کند، می‌تواند مدل ریاضی این واکنش‌های عریض و طویل را تولید کند. برای آن که متوجه عظمت ماجرا بشوید باید بگویم که در پایان دوران لیسانس ما یاد می‌گیریم که یک اتم هیدروژن را مدل کنیم. مدل‌سازی اتم‌هایی بزرگ‌تر از هلیوم، از عهده منی که فیزیک خوانده‌ام خارج است و با یک کامپیوتر بسیار قدرتمند باز هم نمی‌توانم یک مولکول شکر را مدل کنم. چه برسد به پروتئین یا DNA.

حالا فرض کنید نقصی در یک پروتئین منجر به بیماری‌ای مثل آلزایمر شود. گام اول این است که ما باید بتوانیم این پروتئین را مدل کنیم. بعد باید بتوانیم حالت‌های مختلف فولدینگ این پروتئین را به‌دست بیاوریم و بفهمیم حالت سالم کدام است. (چند میلیون ترا بایت داده) وقتی حالت بهینه پیدا شد، بجای دارو، یک آپدیت نرم‌افزاری می‌تواند بیمار آلزایمری را به‌طور کامل درمان کند. ویروس‌ها و سلول‌های سرطانی هم با اپ موبایل و بدون دارو قابل درمان خواهند بود.

از این هم فراتر، ما غذا درست خواهیم کرد!

بشر کارهای فوق‌العاده زیادی کرده است. سمفونی شماره 7 بتهوون، تلسکوپ هابل و intel core i7 8700HQ بخشی از شاهکارهای بشر هستند. اما بشر نمی‌تواند مثل گیاهان نور خورشید را بگیرد و آن را به غذا تبدیل کند. کاری که یک بوته خیار می‌تواند انجام دهد. باز هم ما از سازوکار فتوسنتز آگاه هستیم. اما هرگز نمی‌توانیم آن را مدل کنیم.

کامپیوتر کوانتومی به ما اجازه می‌دهد که با مدل کردن فتوسنتز بتوانیم پنل‌هایی بسازیم که غذا تولید می‌کنند! تنها با استفاده از آب، هوا، عناصر موجود در خاک و نور خورشید. از طرفی می‌توانیم این فرایند را تسریع کنیم و در کم‌تر از 10 ساعت یا حتی ده دقیقه از هیچ به یک خیار برسیم. این امکان برای ما فراهم می‌شود چون با در اختیار داشتن n بیت، بجای 2n حالت به 2 n حالت دسترسی داریم.

شبکه‌مغزها، پایانی برای اینترنت

اولین ماشین بخار باعث به وجود آمدن انقلابی عظیم در صنعت شد. الکتریسیته موج دوم پیشرفت بود و ثروت جهان را چند برابر کرد. پیدایش ترانزیستور به انقلاب دیجیتال منجر شد. انقلاب بعدی بسیار نزدیک است. وقتی ثروت کل زمین چندین برابر و زندگی ما بی‌اندازه متفاوت می‌شود. یکی از دستاوردهای این انقلاب توانایی مدل‌سازی مغز انسان بر روی کامپیوتر است. موضوعی بسیار مهم‌تر از شبیه‌سازی یک آنزیم یا یک خیار.

به کمک این ابزار ما می‌توانیم احساسات و خاطرات خود را آپلود و دانلود کنیم. می‌توانیم به‌جای به اشتراک گذاشتن یک عکس، خاطره آن را بر روی یک شبکه بگذاریم و کسانی که آن را دانلود کنند، به شکل خاطره‌ای که در آن حضور داشتند، آن لحظه را احساس کنند.

به‌این‌ترتیب ما با ذهن خود می‌توانیم با دیگران ارتباط برقرار کنیم. می‌توانیم از ذهن خود برای کنترل ماشین‌ها استفاده کنیم. اگر کسی دچار فراموشی شود، می‌تواند خاطره موردنظر را از فضای ابری دوباره دانلود کند. دیگر به خاطر سپردن اسامی و اعداد کار بی‌ارزشی می‌شود. مطالبی که می‌آموزید را در فضای ابری ذخیره می‌کنید و بعد می‌توانید آن را دوباره دانلود کنید. یا شاید بتوانید توانایی نواختن پیانو یا دانش کوانتوم را بر روی ذهن خود بارگذاری کنید.

شاید باور نکنید. اما در حال حاضر توانسته‌اند این کار را با موش‌ها بکنند. یک موش معمای مارپیچ را حل می‌کند. خاطره آن روی مغز موشی دیگر بارگذاری می‌شود. موش دوم در تجربه اول خود، جواب معما را به یاد دارد! به‌این‌ترتیب در آینده بجای دانلود آهنگ جدید حسین علیزاده، توانایی نواختن آن را دانلود می‌کنید و بجای گوش دادن به آن از نواختنش لذت خواهید برد. واقعا!

هدفونی که از آن هیچ صدایی پخش نمی‌شود

در کنار تمام دستاوردهای محتمل برای کامپیوتر کوانتومی، من به این هدفون بیشتر از بقیه علاقه دارم. هدفونی که از آن هیچ صدایی پخش نمی‌شود! منظورم یک هدفون خاموش نیست. بلکه هدفونی است که اگر آن را روی گوش خود بگذارید، در سکوت مطلق فرو خواهید رفت. حتی صدای ضربان قلب یا تنفس خود را هم نمی‌شنوید. این هدفون تمام امواج اطراف را می‌گیرد و درآن‌واحد موجی درست در تضاد با امواج پخش می‌کند که درمجموع به‌طور کامل همدیگر را خنثی می‌کنند. نتیجه سکوت مطلق خواهد بود. فکر می‌کنم این تجربه، بی‌نظیرترین تجربه ممکن در دنیا باشد.

بمب‌اتمی از جنس کامپیوتر

در حال حاضر غول‌های کامپیوتر مثل گوگل، مایکروسافت و اینتل روش‌هایی متفاوت برای تولید کامپیوتر کوانتومی را پیش گرفته‌اند. هدف ساختن کامپیوتری با 72 کیوبیت است که بتواند در دمای اتاق کار کند بی‌آن که بیت‌ها از محیط تاثیر بگیرند و خراب شوند. به هر حال نگه داشتن سی‌پی‌یوی کامپیوتر در دمای منفی 272.9 درجه سانتی‌گراد کار ساده‌ای نیست. به‌خصوص که قرار است اطلاعات بر روی یک الکترون نگاشته شود. جسمی کوچک که از کوچک‌ترین اختلال‌ها تاثیر می‌گیرد.

شاید روز عرضه عمومی اولین «کیوکام» فردا باشد، شاید 10 سال دیگر. اما این فناوری برای نخستین بار به ما این امکان را می‌دهد که هوش مصنوعی واقعی درست کنیم. هوشی که درست مثل یک مغز طبیعی عمل کند. ابرقدرت بعدی جهان کشوری نیست که بمب اتم دارد. بلکه کشوری است که افسار کامپیوتر کوانتومی را در دست می‌گیرد.

• توضیح: این مطلب برای مخاطب عام نوشته شده است. مخاطب‌های جدی می‌توانند به کتاب Quantum Computation and Quantum Information نوشته Michael A. Nielsen & Isaac L. Chuang نشر دانشگاه کمبریج مراجعه کنند. کتاب مذکور زبانی شیوا و بیانی دقیق دارد. بعید است از مطالعه آن لذت نبرید.