پژوهشگران دانشگاه شیکاگو در دانشکده مهندسی مولکولی پریتزکر (UChicago PME) از طراحی ماژولاری نوآورانه‌ای برای پردازنده‌های کوانتومی ابررسانا رونمایی کردند. این رویکرد پیشرفته، با اتصال همه کیوبیت‌ها از طریق یک مسیریاب مرکزی، محدودیت‌های طراحی‌های سنتی شبکه‌ای دوبعدی را کنار می‌زند. این معماری ماژولار و انعطاف‌پذیر، افق تازه‌ای برای پردازنده‌های کوانتومی باز می‌کند و نویدبخش محاسبات مقاوم در برابر خطا در حوزه‌هایی همچون رمزنگاری، انرژی پاک و فراتر از آن است.
انقلابی در طراحی پردازنده‌های کوانتومی
محاسبات کوانتومی پتانسیل ایجاد تحول در صنایع مختلف، از بهداشت و درمان گرفته تا رمزنگاری، را دارد. اما برای رسیدن به این پتانسیل، باید بر دو چالش اساسی غلبه کرد: مقیاس‌پذیری و تحمل خطا. پژوهشگران UChicago PME با بازنگری در طراحی پردازنده‌های کوانتومی ابررسانا، گامی مهم در این مسیر برداشته‌اند. رویکرد نوآورانه‌ی آنها، معماری ماژولاری را معرفی می‌کند که می‌تواند روش ساخت و توسعه‌ی رایانه‌های کوانتومی را متحول کند.
فراتر از شبکه دوبعدی
تراشه‌های کوانتومی مرسوم از شبکه‌ای دوبعدی برای چیدمان کیوبیت‌ها، واحدهای بنیادی اطلاعات کوانتومی، استفاده می‌کنند. در این چیدمان، هر کیوبیت تنها می‌تواند با همسایگان مستقیم خود – بالا، پایین، چپ و راست – تعامل داشته باشد. این طرح اگرچه برای دستگاه‌های کوچک مناسب است، اما محدودیت‌های ذاتی دارد:
- اتصال محدود: تنظیمات همسایگی، انواع عملیات کوانتومی قابل انجام را محدود می‌کند و مانع از پردازش موازی می‌شود.
- چالش‌های ساخت: ساخت شبکه دوبعدی بزرگ و بدون نقص با افزایش تعداد کیوبیت‌ها، به طور تصاعدی دشوارتر می‌شود. حتی نقص‌های کوچک می‌توانند کل پردازنده را از کار بیندازند.
- محدودیت‌های مقیاس‌پذیری: بزرگ کردن شبکه با افزودن کیوبیت‌ها به منابع بسیار زیادی نیاز دارد و ناکارآمدی‌هایی ایجاد می‌کند که آن را برای کاربردهای بزرگ‌مقیاس نامناسب می‌سازد.
این چالش‌ها، نیاز به تغییر اساسی در طراحی‌های مرسوم را آشکار می‌سازد.
راهکار ماژولار
آزمایشگاه Cleland در UChicago PME طرح جدیدی را ارائه کرده است: یک پردازنده کوانتومی ماژولار که حول یک مسیریاب قابل تنظیم ساخته شده است. این معماری نوآورانه از نحوه‌ی استفاده‌ی رایانه‌های کلاسیک از هاب‌های شبکه برای ارتباط بین اجزا الهام گرفته شده است. نحوه‌ی عملکرد آن به شرح زیر است:
- مسیریاب مرکزی به عنوان هاب: مسیریاب مانند یک تابلو برق عمل می‌کند و به تمام کیوبیت‌های سیستم، صرف‌نظر از موقعیت فیزیکی‌شان، اجازه می‌دهد به یکدیگر متصل شوند و درهم‌تنیده شوند.
- اتصالات پویا: “کلیدهای” کوانتومی امکان برقراری یا قطع اتصال را در کسری از ثانیه فراهم می‌کنند و عملیات کوانتومی پرسرعت و با دقت بالا را ممکن می‌سازند.
- مقیاس‌پذیری: طراحی ماژولار به پژوهشگران اجازه می‌دهد بدون محدودیت شبکه دوبعدی، کیوبیت‌های بیشتری اضافه کنند. تا زمانی که اجزا در فضای سیستم جا شوند، معماری می‌تواند به صورت نامحدود گسترش یابد.
- ساخت بهبودیافته: با پیش‌انتخاب و مونتاژ قطعات جداگانه روی یک “مادربرد پردازنده”، رویکرد ماژولار خطر نقص‌های ساخت که کل سیستم را تهدید می‌کند، کاهش می‌دهد.
این طرح نه تنها اتصال کیوبیت‌ها را افزایش می‌دهد، بلکه راه را برای محاسبات کوانتومی پیچیده‌تر و چندمنظوره‌تر هموار می‌کند.
پیامدهای دنیای واقعی
کاربردهای بالقوه‌ی این معماری جدید بسیار گسترده است. رایانه‌های کوانتومی مبتنی بر این طرح می‌توانند مسائلی را حل کنند که در حال حاضر برای رایانه‌های کلاسیک غیرقابل حل هستند، از جمله:
- رمزنگاری: شکستن کدهای رمزگذاری با تجزیه اعداد بسیار بزرگ.
- بهداشت و درمان: شبیه‌سازی ساختارهای مولکولی پیچیده برای کشف داروهای جدید.
- انرژی پاک: بهینه‌سازی سیستم‌های انرژی و مواد برای پایداری.
برای دستیابی به این پیشرفت‌ها، رایانه‌های کوانتومی باید با حداقل خطا و با پردازش حجم عظیمی از داده‌ها کار کنند. پلتفرم کیوبیت ابررسانای توسعه‌یافته توسط UChicago PME نویدبخش برآورده کردن این الزامات است.
گسترش افق‌ها
پژوهشگران به این موفقیت بسنده نمی‌کنند. مراحل بعدی آنها عبارتند از:
- مقیاس‌بندی: افزایش تعداد کیوبیت‌ها و ارتقاء قابلیت‌های مسیریاب.
- بررسی پروتکل‌های جدید: توسعه‌ی روش‌های جدید برای بهبود عملکرد پردازنده.
- اتصال کیوبیت‌ها از راه دور: بررسی روش‌هایی برای درهم‌تنیدگی کیوبیت‌ها در فواصل طولانی‌تر، که به طور بالقوه ماژول‌های مختلف را مانند پردازنده‌های ابررایانه‌ها به هم متصل می‌کند.
در حال حاضر، محدوده‌ی اتصال این سیستم در حد میلی‌متر است – فاصله‌ای که تیم قصد دارد با ادغام فناوری‌های پیشرفته آن را افزایش دهد.
نگاهی به آینده
پردازنده کوانتومی ماژولار طراحی‌شده توسط UChicago PME نشانگر تغییر رویکرد ما در معماری محاسبات کوانتومی است. با غلبه بر محدودیت‌های طرح‌های سنتی و معرفی چارچوبی مقیاس‌پذیر و مقاوم در برابر خطا، این نوآوری ما را به تحقق رایانه‌های کوانتومی توانمند در حل پیچیده‌ترین چالش‌های بشریت نزدیک‌تر می‌کند.
همانطور که پژوهشگران به اصلاح و توسعه‌ی این طرح ادامه می‌دهند، انقلاب کوانتومی به واقعیت نزدیک‌تر می‌شود – آغاز آینده‌ای که در آن محاسبات هیچ مرزی نمی‌شناسد.
اگر به خواندن کامل این مطلب علاقه‌مندید، روی لینک مقابل کلیک کنید: phys.org
