اینتل در حال کار روی ساخت رایانه‌های کوانتومی است

همه ما می‌دانیم که آینده از آن پردازنده‌های کوانتومی خواهد بود. اما شاید رویای داشتن پردازنده‌های کوانتومی مانند خودروهای پرنده هنوز دور از دسترس به نظر برسد.

کد خبر: ۲۲۱۳۱۸

تاریخ: ۲۲ تير ۱۳۹۷ - ۰۱:۴۹

داشتن رایانه‌هایی که می‌توانند فراتر از طراحی‌های سنتی مبتی بر صفر و یک بروند، جهانی تازه از قابلیت‌ها و پیشرفت‌ها را برای ما خواهد ساخت؛ اما موانع بسیار جدی فنی در این مسیر وجود دارد که هیچ‌کس نمی‌تواند در مورد زمان و چگونگی غلبه بر آن‌ها نظری قطعی بدهد. اما این موانع باعث نمی‌شود محققین ناامید شوند. رایانه‌های کوانتومی طی سال‌های اخیر پیشرفت‌های قابل ملاحظه‌ای داشته‌اند و توجه بسیاری از شرکت‌ها را به خود جلب کرده‌اند. شرکت‌های شناخته‌شده‌ای مانند اینتل که سالانه میلیون‌ها پردازنده و رایانه به سراسر دنیا صادر می‌کند.

شروع دوباره ستاره قدیمی
شاید اینتل گزینه مناسبی برای توسعه رایانه‌های کوانتومی به نظر نرسد. این شرکت حدود چهل سال است که پردازنده‌های خود را مبتنی بر معماری X86‌ می‌سازد، معماری که اولین بار در تراشه 8086 به کار گرفته شد. حتی مدرن‌ترین و قوی‌ترین پردازنده‌های اینتل هم از همین معماری باستانی استفاده می‌کنند.

جیم کلارک (Jim Clarck)، مدیر بخش توسعه فناوری کوانتومی در اینتل، به کارشناس مجله دیجیتال ترند گفته این شرکت همیشه به تجربیات قبلی‌اش در زمینه طراحی و ساخت پردازنده‌ها تکیه خواهد کرد و این امر در مورد رایانش کوانتومی نیز صادق است. در جریان بازدیدی که از پردیس اینتل صورت گرفته، کلارک یک ویفر (صفحه سیلیکونی که در حین روند ساخت، تراشه‌ها بر روی آن ساخته می‌شوند) را نشان داده که بسیار شبیه به نمونه‌های دیگر ویفرهای نشان داده شده در تبلیغات این شرکت است، اما ظاهرا این یکی فرق‌هایی دارد.

آن‌چه می‌بینید یک ویفر ساخته شده با فناوری ۳۰۰ میلی‌متری (قطر ویفر) ماست که چند مایل پایین‌تر در پردیس رونلر آرکس ساخته شده است. ما این ویفر را با همان فناوری می‌سازیم که تراشه‌های دیگر رده بالایمان ساخته می‌شوند و آن‌چه در مقابل شماست یک آرایه کوچک از کیوبیت (qubit) های چرخنده است.

به طور خلاصه این ویفر حاصل تلاش اینتل برای رسیدن به پردازش کوانتومی‌ است. آن‌ها می‌خواهند همان فناوری را توسعه دهند که گوگل و آی‌بی‌ام و بسیاری از دانشگاه‌ها در حال توسعه آن هستند؛ اما به روش خودشان، یعنی استفاده از سیلیکون.

ما می‌خواهیم از روشی مشابه، ابزارهایی مشابه و قوانین طراحی مشابهی برای انجام این کار استفاده کنیم و این برای اینتل یک برتری‌ است.

در مجموع حدود ۵۰ هزار کیوبیت بر روی این ویفر قرار دارد. آن‌ها به یکدیگر اتصال داده نشده‌اند بنابراین نمی‌توان به طور همزمان از آن‌ها استفاده کرد؛ اما قدرت فناوری پیشرفته اینتل در این ویفر نمایان است. اگر اینتل بتواند این فناوری را به سرانجام برساند، میتواند تراشه‌هایی بسازد که از ویفرهای مشابه استفاده می‌کنند در حالی که تعداد بسیار زیادی آرایه‌های کیوبیت بر روی هریک از آن‌ها قرار دارد.

کلارک در این‌جا فقط درباره ساخت صحبت نمی‌کند، منظور او تولید انبوه پردازنده‌های کوانتومی است. البته درک این‌که چرا اینتل از هم‌اکنون به تولید انبوه تراشه‌های کوانتومی فکر می‌کند کار سختی نیست. اینتل در بین رقبایش تنها شرکتی است که بخش زیادی از درآمدش را مستقیما از فروش پردازنده به‌دست می‌آورد. اینتل می‌خواهد مطمئن باشد می‌تواند این روند را درمورد پردازنده‌های کوانتومی نیز حفظ کند.

فهمیدن این‌که گوگل چرا در تلاش برای رسیدن به فناوری ساخت پردازنده‌های کوانتومی است دشوار نیست، اما فروش تراشه‌های کوانتومی کار این شرکت نیست. آی‌بی‌ام تراشه می‌فروشد اما فقط به مشتریان رده بالا و نه کاربران معمولی. در این میان فقط اینتل ممکن است روزی بتواند تراشه‌های کوانتومی را به مردم بفروشد.

این ایده احمقانه نیست، کلارک در سخنانش خیلی واضح گفته است که با وجود چالش‌های ویژه آن‌ها همچنان از همان خط تولید و ابزارهایی برای ساخت ویفرهای کوانتومی استفاده کرده‌اند که در ساخت سایر پردازنده‌ها نیز استفاده می‌کنند

ماجرای کیوبیت چیست؟
اینتل می‌خواهد از همان روش‌های سنتی و خط تولیدهای موجودش برای ساخت پردازنده‌های کوانتومی استفاده کند. آیا این به معنی وجود آینده‌ای است که ما بتوانیم در خانه و محل کار خودمان رایانه‌های کوانتومی داشته باشیم؟

شاید بله!

یکی از بزرگترین چالش‌های پیش‌روی فناوری مربوط به پردازنده‌های کوانتومی، آسیب‌پذیری بسیار بالای کیوبیت‌هاست. این امر از ذات بسیار نامطلوب کیوبیت‌ها نشات می‌گیرد. آسیب رساندن به انسجام و یکپارچگی کیوبیت‌ها بسیار آسان است و آن‌طور که کلارک می‌گوید با کمترین میزان حرارت نیز قابل انجام است.

کلارک می‌گوید:

ما ناچاریم روند ساخت را در دمایی بسیار پایین انجام دهیم. ما یخچال‌هایی به اندازه ۵۵ بشکه داریم که به آن‌ها یخچال‌های رقیق‌کننده می‌گوییم. این یخچال‌ها می‌توانند دما را تا کسری از یک درجه صفر مطلق پایین بیاورند. این دما ۲۵۰ مرتبه سردتر از اعماق فضای بین سیاره‌ای است.

کسانی که پردازنده‌ها را اورکلاک می‌کنند شاید دماهای خیلی پایین را تجربه کرده باشند، اما جالب است بدانید در دمایی که کلارک می‌گوید هیچ پردازنده‌ای نمی‌تواند کار کند و به راحتی می‌شکند و از هم می‌پاشد.

نیاز پردازنده‌های کوانتومی به این حد از خنک‌سازی عملا استفاده از آن‌ها را بسیار محدود می‌سازد و امکان استفاده از آن‌ها را در محیط خانگی و کاری و حتی محیط‌های آزمایشگاهی معمولی نیز غیرممکن می‌کند، چراکه تجهیزات مورد نیاز آن بسیار خاص هستند. کوچک‌سازی این تجهیزات تا حدی ممکن است اما همچنان راه زیادی (شاید بیش از یک دهه) تا تجاری‌سازی آن وجود دارد.

رایانه‌های مبتنی بر پردازنده‌های کوانتومی همان ساختاری را دارند که بقیه رایانه‌ها دارند. حافظه موقت و طولانی مدت، مدارهای چاپی و سایر قطعات معمولی الکترونیک در کنار این پردازنده (البته نه در داخل یخچال) قرار می‌گیرند. پردازنده کوانتومی می‌تواند در کنار یک ابررایانه قرار بگیرد و پردازش و کنترل اطلاعات خروجی و ورودی آن را انجام دهد.

در تئوری روزی خواهد رسید که رایانه‌های کوانتومی به اندازه رایانه‌های رومیزی کنونی در بیایند، اما کلارک این ایده را به سادگی نمی‌پذیرد. او یادآوری می‌کند رایانه‌های امروز مسیری ۷۰ ساله را از اولین نسخه‌ها طی نموده‌اند تا به اندازه کنونی رسیده‌اند. اولین نمونه‌های رایانه‌های کنونی اندازه‌ای در ابعاد یک اتاق داشتند که تنها ورودی آن‌ها کارت‌های پانچ بود و هریک از ترانزیستورهای سازنده آن‌ها اندازه یک انگشت بودند. آن‌چه امروز تحت عنوان رایانه‌های رومیزی و لپ‌تاپ می‌شناسیم در ۲۰ سال اخیر به این شکل درآمده‌اند.

اگر اولین ابررایانه را در اواسط دهه ۷۰ به یادآورید، آن‌ها اندازه‌ای در حدود نصف این اتاق داشتند و در آن زمان قدرتمندترین رایانه جهان به حساب می‌آمد. هیچ‌کس فکر نمی‌کند ۴۰ سال بعد رایانه‌ای در ابعاد لپ‌تاپ‌های کنونی یا حتی تلفن‌های همراه در جیبمان داشته باشیم. ما قطعا مسیر کوچک‌سازی را در نسل‌های بعدی طی خواهیم نمود، اما فکر نمی‌کنم امروز مسئله ما بزرگ بودن رایانه‌های کوانتومی باشد، بخصوص وقتی قرار است این رایانه قوی‌ترین رایانه جهان باشد.

نگرانی در مورد آینده امنیت
همه چیز در مورد رایانه‌های کوانتومی خوب نیست. شاید یکی از موضوعاتی که رسیدن رایانه‌های کوانتومی را نگران کنند می‌کند بحث امنیت باشد. الگوریتم‌های رمزگذاری مانند RSA با این تئوری طراحی و استفاده می‌شوند که رمزگشایی آن‌ها توسط قوی‌ترین رایانه‌ها هم میلیون‌ها سال به طول خواهد کشید. اما این داستان با ظهور پردازنده‌های کوانتومی تغییر می‌کند.

در کلید‌های RSK ما دو عدد اولیه را می‌گیریم و یک کد، پیام یا کارت اعتباری را رمزگذاری می‌کنیم که برای رمزگشایی آن باید هر دو عدد را داشته باشید. این کار برای یک رایانه معمولی بسیار دشوار است. اما برای یک رایانه کوانتومی به خاطر فضای بسیار بالایی که در اختیار دارد شکستن کد RSK زمان بسیار بسیار کمتری می‌برد، در حد یک دقیقه! این باعث می‌شود هرکسی در برخورد با رایانه‌های کوانتومی احساس نگرانی کند. سازمان NSA شروع به برداشتن گام‌های ابتدایی برای دشوار ساختن شکستن مرزهای امنیتی توسط این رایانه‌ها کرده است. اینتل به تازگی ضعف‌های جدی در امنیت پردازنده‌هایش پیدا کرده که پیش از این امن تلقی می‌شدند. همین‌طور آنتی‌ویروس‌های مختلفی نوشته شده‌اند تا لایه‌ای اضافی برای امنیت پردازنده‌ها ایجاد کنند. همه این‌ها اعتبار آن‌چه پیشتر درباره امنیت سخت‌افزار تصور می‌شد را زیر سوال برده است، حالا هم کارشناسان و هم کاربران تردیدهای جدی در مورد امنیت خود دارند. آیا به رستاخیر دنیای دیجیتال نزدیک شده‌ایم؟ کلارک چنین عقیده‌ای ندارد:

الگوریتم‌ها و الزاماتی که یک رایانه کوانتومی برای شکستن رمزنگاری‌های مرسوم نیاز دارد بسیار زیاد هستند، بنابراین ما علاوه بر بیش از ۱۰ سالی که تا ساختن اولین رایانه کوانتومی مانده، چندین سال دیگر هم وقت داریم تا روش‌های دیگری برای رمزنگاری پیاده کنیم.

ده سال برای محققین زمان زیادی محسوب می‌شود تا خود را برای رسیدن رایانه‌های کوانتومی آماده کنند و همین حالا هم الگوریتم‌های مناسبی برای آن دوران وجود دارد. نمونه‌ای از این الگوریتم‌های مقاوم دربرابر محاسبات کوانتومی، پدهای یک‌بار مصرفی بود که در طول جنگ جهانی دوم هم مورد استفاده قرار گرفت.

اما پیاده‌سازی این ایده در دنیای رمزنگاری به این آسانی هم نیست. اینتل محققانی دارد که بر روی این موضوع کار می‌کنند و امیدوار است تا پیش از آن‌که رایانه‌های کوانتومی رمزنگاری مدرن را تهدید کنند به جواب‌های قابل قبولی رسیده باشد.

نسل بعدی پردازش
ما هنوز در روزهای اول توسعه سخت‌افزار کوانتومی هستیم اما علاقه و شوق شرکت‌هایی مانند گوگل، آی‌بی‌ام و اینتل گام بزرگی در این مسیر به حساب می‌آید. کلارک معتقد است که تجربه و مهارت اینتل در ساخت پردازنده‌های فعلی برگ برنده را به این شرکت می‌دهد.

ما عمیقا معتقد هستیم اینتل با تجربه‌ای که در زمینه معماری فعلیش دارد و همچنین تخصص فردی نیروهایش می‌تواند متخصصین این شرکت را به حوزه کوانتوم آورده و برتری را برای اینتل به همراه آورد.

البته هنوز زمان طولانی را باید منتظر نتایج تلاش های شرکت باشیم. کلارک از افقهای زمانی سخن گفت که ده‌ها سال را شامل می‌شود، نه چند ماه و سال. امروز حتی توسعه پردازنده‌های پیشرو کلاسیک نیز یک کسب‌و‌‌کار طولانی و خسته‌کننده است چه برسد به توسعه پردازنده‌ای کوانتومی. بهرحال قطعا مدت زمان بسیار طولانی خواهد کشید تا برچسب Intel Inside را روی یک تراشه کوانتومی ببینیم.