توی این مقاله از جاجول دات می، میپردازیم به سوال و جواب با آقای Bert de Jong.این آقا دایرکتور شتاب دهنده های کوانتومی هستن.(Quantum Systems Accelerator) (QSA)
تکنولوژی های کوانتومی در حال توسعه هستن . تا الان که بشر به نمونه های اولیه دست پیدا کرده، به شدت روی علم و صنعت تاثیر گذار بوده.یکی از بزرگترین هاب های کوانتومی(جاجول: جایی که تکنولوژی،ساینس و صنعت تلفیق میشن) توسط Berkeley Lab رهبری میشه.QSA یکی از پنج مراکز تحقیقات علمی NQI یا اطلاعات کوانتومی جهان هست.این مرکز پژوهش علمی توسط ایالات متحده تاسیس شد.هدف از تاسیس این مرکز، دستیابی به تکنولوژیی هست که به مسائل پیچیده و حل نشده فیزیک،شیمی،مواد و زیست شناسی پاسخ بده.حالا میخوایم نظر آقای Bert de Jong رو راجع به آینده کوانتوم بدونیم.
QSA چگونه ما رو به مقیاس پذیری در محاسبات کوانتومی نزدیک تر میکنه و این محاسبات رو با کمترین خطا انجام میده؟
دایرکتور QSA(de Jong): ما به صورت خاصی در حال تحقیق کردن هستیم تا محاسبات کوانتومی رو پیشرفت بدیم. ما روی سه تا از پیشرفته ترین تکنولوژی های کیوبیت (جاجول: ساده ترین واحد محاسبه کوانتوم.) کار میکنیم:
پاول تله (trapped ion)(یون های به دام افتاده) ، اتم های خنثی و کیوبیت های ابر رسانا.ما تنها مرکز دپارتمان انرژی هستیم که تکنولوژی های مبتنی بر اتم رو توسعه میدن.ما روی طراحی تکنولوژی کوانتومی با سیستم های کنترلی،الگوریتم ها و مصرف کننده نهایی(End user) تمرکز کردیم.
ما این کار رو برای تولید کویبیت های بیشتر و کامپیوتر های کوانتومی قوی تر انجام نمیدیم.ما این کار رو انجام میدیم تا کامپیوتر ها بتونن خودشون کویبیت ها رو پیشرفت بدن(که جزو اساسی ترین محاسبات کوانتوم هست.).برای این کار ما مواد و متریال بهتری رو برای کویبیت ها استفاده میکنیم، کنترل دقیق تری داریم و اندازه گیری های دقیق تری هم داریم.
در حال حاضر منابع زیادی وجود داره که محاسبات کوانتومی رو دچار نویز (جاجول: نویز به اختلال در محاسبات کوانتوم میگن .) میکنه.پیدا کردن راهی برای حل نویز خیلی سخته چون طبیعت پر از نویز هست. (جاجول: نویز به عواملی مثل میدان مغناطیسی یا دخالت دستگاه های الکتریکی یا دخالت کیوبیت ها بستگی داره.).
ما در حال دولوپ کردن الگوریتم هایی هستیم که بتونن کیوبیت ها رو روی محاسبات کوانتومی افزایش بدن.هدف ما حل کردن مسئله های پیچیده علمی هست که در دپارتمان انرژی استفاده میشن.
QSA چجوری به دستاورد های علمی میرسه و چه راه هایی رو برای انجام ریسرچ داره؟
دی یونگ : QSA دارای تکنولوژی های خیلی پیشرفته ای هست که اینجا به چند تا مثال میزنم که ما چجوری از اونها استفاده میکنیم تا بتونیم به دستاور های علمی برسیم.در خصوص اتم های خنثی ،( neutral atoms) ما به شبیه ساز های کوانتومی دست یافتیم که تا ۲۵۰ اتم -۲۵۰ کیوبیت – ظرفیت دارن ، که واقعا عدد بزرگی هست.این تکنولوژی توسط تیم دانشگاه هاروارد رهبری میشه که نه تنها قادر به کنترل همزمان ۲۵۰ اتم هست، بلکه میتونه به طور دقیقی شبیه سازی های علمی رو انجام بده.وقتی شما به ۲۵۰ کیوبیت دسترسی داشته باشید، میتونین به مسائل جالب علمی جواب بدین.
همچنین ما مدل سازی هایی انجام دادیم که دانشمندان به اون میگن Many body systems (جاجول: many body اصطلاحی در فیزیک دان ها هست که به خواص سیستم های میکروسکوپی مربوط هست.) که شامل موادی هستن که رفتار پیچیده کوانتومی دارن.فهمیدن این نوع مواد در پیشرفت نسل بعدی باتری ها ، کاتولیزور ها و سلول های خورشیدی ، اجباری هست.با شبیه سازی کردن این سیستم (مدل many body) ما قادر هستیم تا به رفتار مواد ابر رسانا (superconducting materials) آشنایی پیدا کنیم و فاز های مختلف ماده رو اندازه گیری کنیم.این دستاورد چیزیه که در محاسبات کامپیوتر های کلاسیک (classical computers) (جاجول : کامپیوتر های کلاسیک، کامپیوتر هایی هستن که مقدار اولیه اون ها bin یا ۰ و ۱ هست.True یا false-خاموش یا روشن.) قابل توجه هست.
اتم های خنثی در سنسور های کوانتومی هم کاربرد دارن.تیم ما در JIVA (جاجول: موسسه مشترک دانشگاه کولورادو و NIST.) با استفاده از اتم های خنثی تونستن اندازه گیری دقیقی از انتقال سرخ گرانشی ( gravitational redshift) (جاجول: انتقال سرخ گرانشی یا شیفت انیشتین به پدیده ای گفته میشه که موج های الکترو مغناطیسی و فوتون ها به خارج از چاه گرانشی (Gravitational well) منتقل میشن-از دست دادن انرژی-باعث کاهش فرکانس و افزایش طول موج.) در حجم کمی نمونه اتمی بکنند.با این راه جدید ما میتونین سوالات اساسی فیزیک رو احساس کنیم.بیش از اون مردم استفاده از اتم ها برای شبیه سازی کوانتومی در فیزیک ذرات یا فیزیک انرژی بالا (جاجول: مطالعه ذرات بنیادی-نیرو ها) (رجوع کنید : High energy physics دانشگاه امیرکبیر.) رو شروع کردن.این کار با کامپیوتر های کلاسیک سخته.
در مورد یون های به دام افتاده، همکار ما، Sandia اولین سیستمی رو دولوپ میکنه که میتون ۲۰۰ یون رو نگه داره.این یون ها به دانشگاه دوک (Duke university) فرستاده شده تا با سیستم هاشون ادغام بشه.مرحله بعد مطالعه در مورد اینکه چگونه بتونیم یون ها رو در اون مقیاس کنترل کنیم.پس از اون میتونیم شبیه سازی ها رو شروع کنیم.
با استفاده از دستگاه های اتم های خنثی ، هاروارد در حال مطالعه روی شبیه سازی سیستم های کوانتومی باز هست.(جاجول: open quantum system سیستم های کوانتومی-مکانیکی هستن که با سیستم های کوانتومی خارجی تعامل میکنن. )این مهمه چون طبیعت یک سیستم کوانتومی باز هست.بیرون از سیستم های بسته(closed systems یک سیستم طبیعی فیزیک هست که چیزی به آن وارد و از آن خارج نمیشه.) ما پر از نویز هست.مطالعه و مدل سازی این سیستم های پر نویز – مثل ملکول و مواد که با میدان های مغناطیسی و نور در تعامل هستن-برای بهتر کنترل کردن فرایند های شیمیایی و موادی که کاربرد علمی دارن حیاتی هست.
تیم های QSA هم کار مشابهی با کیوبیت های ابر رسانا انجام دادن.تیم Berkeley Lab،در حال ساخت نوعی از کیوبیت هایی هستن که خیلی کمتر در معرض نویز قرار میگیرنن.به این کیوبیت ها ، کیوبیت های شبکه(Grid qubit) میگن.
تله انجیلادا در آزمایشگاه Sandia
کردیت:Sandia laboratory
Jonathan Sterk یکی از اصلی ترین اعضای تیم ساندیا
کردیت:Sandia laboratory
در مورد بقیه زمینه ها چی؟ چجوری کامپیوتر های کوانتومی در زمینه شیمی استفاده میشن؟
شیمی مدت هاست که به عنوان یکی از اولین زمینه هایی که از فواید کوانتوم استفاده کند، در حال مطالعه هست.ولی کار سختیه که بخوایم محاسبات شیمی رو توی کامپیوتر های کوانتومی اجرا کنیم. برای همینه که ما تئوری پردازان (نظریه پردازان) و تجربه گرایانی (آزمایش گرایان؟) رو داریم که روی شبیه سازی شیمی کار میکنن.این کار به این خاطر انجام میشه که شیمی بیشترین استفاده رو از کامپیوتر های کوانتومی بکنه.یه مثال از یکی از تجربه های اخیرمون توی زمینه شیمی میزنم. تیم QSA در دوک (ِDuke) از یون های به دام افتاده در کامپیوتر های کوانتومی استفاده میکنن تا آزمایش تشدید مغناطیسی هسته ای (.(NMR)nuclear magnetic resonance) ، (جاجول: یک رویداد فیزیکی که در اون هسته های یک میدان قوی مغناطیسی توسط یک میدان مغناطیسی ضعیف مختل میشه.) مولکول رو شبیه سازی کنن. اگر نمیدونید NMR چیه خیلی ساده بگم که همون دستگاه MRI توی بیمارستان هست.جالبه که آزمایش NMR هم یک نوع آزمایش کوانتومی هست.در نتیجه استفاده از کامپیوتر کوانتومی برای مدل سازی یک سیستم کوانتومی نیاز به یه راه حل هوشمندانه داره.
چگونه مراکزی مثل QSA با صنعت ها و جامعه تحقیقاتی ، پیشرفت ها رو به اشتراک میگذارن و باعث رشد این زمینه میشن؟
de Jong: ما با صنایع، ارتباطات زیادی داریم چون تکنولوژی و مهندسی که توسعه داده میشه، چه اینجا (QSA) چه در ساندیا (Sandia) و چه در MIT آزمایشگاه لینکلن (Lincoln Laboratory) و دیگر همکاران ما از شرکت های زیادی بهره میبرن.
یک نمونه قابل توجه که به این زمینه کمک میکنه، پروژه ای هست که توی برکلی (Berkeley Lab) در حال توسعست.به این پروژه QubiC گفته میشه.QubiC یک سیستم کنترلی بیت کوانتومی اوپن سورس(منبع باز) هست که بر پایه FPGA ساخته شده.(جاجول: FPGA یا Field-programmable gate array یک آی سی قابل تنظیم هست که پس از تولید میتونه به طور مداوم برنامه نویسی بشه).این سیستم توسط موسسه های آموزشی و دیگر صنعت ها استفاده میشه.
QSA همونطوری که از به اشتراک گذاری تکنولوژی مثل تحقیقات و اختراعات QSA در صنایع حمایت میکنه، از شرکت های نو پا نیز حمایت میکنه. من گفتم که پیشرفت ما در اتم های خنثی وابسته به هاروارد بوده.بیشتر توسعه در هاروارد صورت گرفت. QuEra شرکتی هست که با تحقیقات و ایده های جدید هاروارد ساخته شده.امروزه خیلی از تکنولوژی های QSA به دست QuEra عرضه میشن و رابطه ما با اونا یک رابطه تحقیقاتی هست.دیگر عضو QSA که MIT هست داره روی کیوبیت های ابر رسانا (superconducting qubits) کار میکنه.اونا (MIT) یک شرکت زیر مجموعه(اسپین آف-spinoff) دارن به اسم آتلانتا کوانتوم (Atlanta Quantum). ما با صنعتی مثل IonQ نیز کار میکنیم. این شرکت یک شرکت تجاری کامپیوتر کوانتومی یون های به دام افتاده (trapped ion quantum computers) برای تحقیقات ساده ای که مورد استفاده شرکت هایی مثل مایکروسافت (Microsoft)، انویدیا (NVIDIA) و جنرال الکتریک (General Electric) هست.
کامپیوتر ۲۵۶ کیوبیت QuEra
کردیت:QuEra
کامپیوتر کوانتومی یون های به دام افتاده
کردیت:ionq
در مورد رمزگزاری داده های کامپیوتر های کوانتومی (Data encryption) در کاربرد های شرکتی حرف زده شده، اما استفاده های دیگه ای که مردم منتظر اون هستن چی؟
de Jong: در چند سال آینده ما مواد رو به صورتی شبیه سازی میکنیم که صنعت بتونه تکنولوژی بهتری رو در انرژی تجربه کنه و قطعا مواد بهتری هم در محاسبات کلاسیک (کامپیوتر های کلاسیک) استفاده خواهد شد.این دست آورد ها در علم روزمره هم تاثیر گذار خواهد بود. مثل کشف دارو های جدید اما این مسئله یک راه طولانی هست.
کامپیوتر های کوانتومی در بهینه سازی کردن هم تاثیر خواهد داشت. مثل شبکه های برق، مدیریت ترافیک هوایی، ترافیک راه ها، انتقال پول و هر چیزی که یک سیستم شبکه ای پیچیده داشته باشه.این ها چیزایی هستن که بهینه کردنشون با کامپیوتر های کلاسیک خیلی سخته.ما پتانسیل این رو داریم که یک قدم بزرگ برای تغییر عملکرد جامعه و اقتصاد برداریم، ولی آیا هنوز به این دستاورد رسیدیم؟نه.اما حداقل در Fortune 500 company (جاجول: بزرگترین شرکت آمریکایی که ۳۱ میلیون در سراسر دنیا توش کار میکنن) افرادی هستن که میبینن کوانتوم چجوری بهشون کمک میکنه.
یکی از بزرگترین برد کامپیوتر های کوانتومی، پتانسیل حل مسائلی هست که محاسبات کنونی از پسش بر نمیان.چند مثال از نمونه های جدید تحقیقتون بگین که شما رو شگفت زده کرده.
de Jong: مثال ها خیلی زیادن.من یه شیمیدان هستم که محاسبات شیمی انجام میده.من راجع به کوانتوم تحقیق میکنم ولی از طرفی حل کردن مسائل شیمی در کنار آزمایش گرا ها هم دوست دارم.یکی از چیزایی که دارم روش کار میکنم اینه که چجوری بتونیم مواد بهتری رو توسعه بدیم که از هوا، کربن به دست بیاریم.ارزیابی موادی که برای این منظور نیاز هست بسیار گرونه.ما به exascale computers (جاجول: کامپیوتر هایی که میتونن تعداد زیادی معادلات رو همزمان حل کنن-سوپر کامپیوتر-ابر رایانه) نیاز داریم.با این کامپیوتر ها ما مدل ها رو ساده تر طراحی میکنیم.
امیدواریم که مجبور نشیم که مدل هامون رو کاهش بدیم.ما در واقع میتونیم مدل های واکنش ها رو اجرا کنیم که این چیزی هست که توی کوانتوم به دنبالش هستیم.فایده این کار صرفه جویی در مصرف برق هست که سوپر کامپیوتر های کلاسیک مصرف برق بالایی دارن.
برای اطلاع از آخرین ریسرچ ها توی سوشیال مدیا های مختلف مثل اینستاگرام جاجول با من همراه باشید.
تفاوت بیت کلاسیک و کیوبیت
کردیت:drgdiaz