کامپیوتر کوانتومی IBM؛ داستان تولد اولین پردازنده ۵ کیوبیتی

کامپیوتر کوانتومی IBM بخشی از ابتکار IBM Quantum است که هدف آن توسعه و دسترسی جهانی به محاسبات کوانتومی است. این سیستم‌ها بر پایه کیوبیت‌های فوق‌رسانا ساخته شده‌اند که در دماهای نزدیک به صفر مطلق کار می‌کنند و امکان محاسبات موازی عظیم را فراهم می‌کنند. IBM Quantum System One، معرفی‌شده در سال 2019، یک سیستم مدولار با خنک‌کننده‌های رقیق‌سازی (dilution refrigerators) است که کیوبیت‌ها را در دمای 15 میلی‌کلوین نگه می‌دارد. این پلتفرم با نرم‌افزار Qiskit یکپارچه است و کاربران را قادر به اجرای مدارهای کوانتومی از طریق ابر می‌سازد. IBM بیش از 10 سیستم کوانتومی در دسترس عمومی قرار داده و با شرکت‌هایی مانند اکسان‌موبیل ExxonMobil و Mitsubishi Chemical همکاری می‌کند.

کامپیوتر کوانتومی IBM چیست؟

کامپیوتر کوانتومی IBM یک سیستم محاسباتی است که از کیوبیت‌های فوق‌رسانا برای پردازش اطلاعات با استفاده از پدیده‌های کوانتومی مانند برهم‌نهی (superposition) و درهم‌تنیدگی (entanglement) استفاده می‌کند. این سیستم‌ها، مانند IBM Quantum System One، برای حل مسائل پیچیده در حوزه‌هایی مانند شیمی کوانتومی، بهینه‌سازی، و یادگیری ماشین طراحی شده‌اند. IBM از سال 2016 با ارائه دسترسی ابری به کامپیوترهای کوانتومی، این فناوری را دموکراتیک کرده و کاربران را قادر به اجرای الگوریتم‌های کوانتومی از طریق پلتفرم‌هایی مانند IBM Quantum Experience می‌سازد. این کامپیوترها با تعداد کیوبیت‌های روبه‌رشد، از 5 کیوبیت در سال 2016 به 433 کیوبیت در Eagle، مرزهای محاسبات را جابه‌جا کرده‌اند.

تاریخچه تلاش‌های IBM در حوزه کوانتوم

تلاش‌های IBM در محاسبات کوانتومی به دهه 1980 بازمی‌گردد، زمانی که این شرکت بر روی کیوبیت‌های فوق‌رسانا تحقیق می‌کرد. در سال 1998، IBM اولین الگوریتم کوانتومی را با 2 کیوبیت اجرا کرد. پیشرفت‌های کلیدی شامل دستیابی به 5 کیوبیت در سال 2016 با پردازنده ibmqx5 بود که دسترسی ابری را معرفی کرد. در سال 2017، IBM به 20 کیوبیت رسید و در 2019، با پردازنده 53 کیوبیتی Sycamore-like، برتری کوانتومی را هدف قرار داد. IBM در سال 2021 با Eagle (127 کیوبیت) و Osprey (433 کیوبیت) مرزها را جابه‌جا کرد. این تاریخچه با سرمایه‌گذاری بیش از 1 میلیارد دلار و همکاری با دانشگاه‌ها، IBM را به رهبر این حوزه تبدیل کرده است.

چیپ‌های کوانتومی IBM و معماری آن‌ها

چیپ‌های کوانتومی IBM بر پایه معماری فوق‌رسانا (superconducting transmon qubits) ساخته شده‌اند که از حلقه‌های مدار الکتریکی با خازن‌های Josephson تشکیل شده‌اند. این کیوبیت‌ها در فرکانس‌های مایکروویو کار می‌کنند و با استفاده از درهم‌تنیدگی، محاسبات موازی را انجام می‌دهند. معماری IBM از گراف‌های جفت‌شده (coupled-graph) برای اتصال کیوبیت‌ها استفاده می‌کند، که انعطاف‌پذیری در اجرای مدارهای پیچیده را فراهم می‌کند. چیپ‌های جدید مانند Condor (1121 کیوبیت) از لایه‌های سه‌بعدی برای کاهش نویز استفاده می‌کنند. این معماری با نرم‌افزار Qiskit یکپارچه است و امکان برنامه‌نویسی مدارهای کوانتومی را می‌دهد.

پردازنده ۵ کیوبیتی؛ شروع رسمی IBM Quantum

پردازنده 5 کیوبیتی IBM، به نام ibmqx5، در سال 2016 معرفی شد و نقطه شروعی برای IBM Quantum بود. این پردازنده با 5 کیوبیت فوق‌رسانا، اولین سیستم کوانتومی ابری را ارائه داد و کاربران را قادر به اجرای الگوریتم‌های ساده مانند الگوریتم گروور برای جستجو کرد. ibmqx5 با نرخ خطای 1% در گیت‌های تک‌کیوبیتی، پایه‌ای برای توسعه‌های بعدی بود. این پردازنده از طریق IBM Quantum Experience در دسترس قرار گرفت و بیش از 100,000 کاربر را جذب کرد. موفقیت آن منجر به گسترش به 16 کیوبیت در سال 2017 شد و نشان‌دهنده تعهد IBM به دسترسی عمومی بود.

معرفی پردازنده‌های Eagle و Osprey

پردازنده Eagle، با 127 کیوبیت، در سال 2021 معرفی شد و برای اولین بار از معماری سه‌بعدی برای اتصال کیوبیت‌ها استفاده کرد که نویز را کاهش داد. Eagle با نرخ خطای 0.5% در گیت‌های دوکیوبیتی، امکان اجرای مدارهای پیچیده‌تر را فراهم کرد. Osprey، با 433 کیوبیت در سال 2022، رکورد کیوبیت‌های IBM را شکست و برای حل مسائل بهینه‌سازی در شیمی و مالی طراحی شد. این پردازنده‌ها از چیپ‌های سیلیکونی با خنک‌کننده‌های پیشرفته استفاده می‌کنند و با Qiskit یکپارچه هستند. Eagle و Osprey بخشی از نقشه راه IBM برای رسیدن به 1000 کیوبیت تا 2023 هستند.

چالش خطای محاسباتی در سیستم‌های IBM

خطاهای محاسباتی در کامپیوترهای کوانتومی IBM به دلیل نویز، دکوهانس (decoherence)، و خطاهای گیت رخ می‌دهند. کیوبیت‌های فوق‌رسانا در دماهای پایین کار می‌کنند، اما تداخل‌های الکترومغناطیسی و گرمای باقی‌مانده می‌توانند حالت کوانتومی را مختل کنند. IBM با معیارهای خطای متوسط (average error rates) کمتر از 1% برای گیت‌های تک‌کیوبیتی و 2% برای دوکیوبیتی، پیشرفت کرده است. چالش اصلی کامپیوتر کوانتومی IBM، مقیاس‌پذیری است؛ افزایش کیوبیت‌ها خطاها را افزایش می‌دهد. IBM از تکنیک‌های میانی‌گام (mid-circuit measurement) برای کاهش خطاها استفاده می‌کند.

سیستم‌های خنک‌سازی در کامپیوترهای کوانتومی IBM

سیستم‌های خنک‌سازی IBM از یخچال‌های رقیق‌سازی (dilution refrigerators) برای حفظ کیوبیت‌ها در دمای 15 میلی‌کلوین استفاده می‌کنند. این سیستم‌ها از مخلوط هلیوم-3 و هلیوم-4 برای خنک‌سازی تدریجی از دمای اتاق به دمای مطلق استفاده می‌کنند. IBM Quantum System One با خنک‌کننده‌های Bluefors یکپارچه است که نویز حرارتی را به حداقل می‌رساند. چالش‌ها شامل مدیریت گرمای تولیدشده توسط کیوبیت‌ها و حفظ عایق‌بندی خلأ است. این سیستم‌ها انرژی بالایی مصرف می‌کنند (تا 25 کیلووات) و برای مقیاس‌پذیری، IBM به سمت خنک‌کننده‌های فشرده‌تر حرکت می‌کند.

IBM Quantum Experience، از سال 2016، دسترسی ابری به کامپیوترهای کوانتومی را فراهم می‌کند. کاربران از طریق وب‌سایت IBM Quantum با کیوبیت‌های واقعی یا شبیه‌سازی‌شده تعامل می‌کنند. این پلتفرم شامل IBM Quantum Lab با ابزارهای Qiskit و دسترسی به بیش از 10 سیستم کوانتومی است. در سال 2023، IBM بیش از 4 میلیون مدار کوانتومی اجرا کرد. دسترسی رایگان برای کاربران عمومی و اشتراک‌های پولی برای تحقیقات پیشرفته وجود دارد. این سرویس با شرکت‌هایی مانند ExxonMobil برای کاربردهای صنعتی همکاری می‌کند.

نقش Qiskit در توسعه نرم‌افزارهای کوانتومی

Qiskit، یک چارچوب نرم‌افزاری متن‌باز IBM، نقش کلیدی در توسعه برنامه‌های کوانتومی ایفا می‌کند. این کتابخانه پایتون برای ساخت مدارهای کوانتومی، شبیه‌سازی، و اجرای روی سخت‌افزار IBM استفاده می‌شود. Qiskit شامل ماژول‌هایی برای الگوریتم‌های کوانتومی مانند شُر (Shor) و گروور است و از بهینه‌سازی‌های خودکار برای کاهش خطاها پشتیبانی می‌کند. در سال 2023، Qiskit 1.0 منتشر شد و با ابزارهای یادگیری ماشین مانند Qiskit Machine Learning یکپارچه شد. این نرم‌افزار بیش از 500,000 کاربر دارد و در آموزش کوانتومی استفاده می‌شود.

همکاری IBM با دانشگاه‌ها و مراکز تحقیقاتی

IBM با دانشگاه‌های متعددی مانند MIT، دانشگاه شیکاگو، و دانشگاه توکیو همکاری می‌کند. برنامه IBM Quantum Network شامل 10 دانشگاه و مرکز تحقیقاتی است که دسترسی اختصاصی به سیستم‌های پیشرفته مانند Eagle را دارند. برای مثال، همکاری با دانشگاه شیکاگو در مرکز Chicago Quantum Exchange بر روی کاربردهای کوانتومی در شیمی تمرکز دارد. IBM همچنین با مراکز تحقیقاتی مانند CERN برای کاربردهای محاسباتی کوانتومی همکاری می‌کند. این همکاری‌ها به توسعه الگوریتم‌های جدید و کاهش خطاها کمک کرده‌اند.

کاربرد کامپیوتر کوانتومی

کاربردهای کامپیوتر کوانتومی IBM شامل شیمی کوانتومی برای شبیه‌سازی مولکول‌ها، بهینه‌سازی لجستیک، و یادگیری ماشین کوانتومی است. در شیمی، IBM با ExxonMobil برای مدل‌سازی کاتالیست‌ها همکاری می‌کند. در مالی، الگوریتم‌های کوانتومی برای بهینه‌سازی پرتفوی استفاده می‌شوند. در داروسازی، شبیه‌سازی پروتئین‌ها سرعت کشف دارو را افزایش می‌دهد. IBM با Mitsubishi Chemical برای کاربردهای مواد پیشرفته همکاری می‌کند.

مقایسه IBM با گوگل و دیگر رقبا

IBM با 433 کیوبیت در Osprey، از سیکامور گوگل (Sycamore با 70 کیوبیت) جلوتر است، اما گوگل در سال 2019 برتری کوانتومی را ادعا کرد. IBM بر دسترسی ابری و Qiskit تمرکز دارد، در حالی که گوگل بر الگوریتم‌های خاص مانند برتری کوانتومی تأکید می‌کند. رقبای دیگر مانند IonQ (با کیوبیت‌های یونی) و Rigetti (با چیپ‌های هیبریدی) در فناوری‌های متفاوت هستند. IBM با بیش از 100 میلیون کیوبیت-دقیقه اجرا‌شده، در مقیاس‌پذیری پیشتاز است، اما گوگل در کاهش خطاها (کمتر از 1%) برتری دارد.

کامپیوترهای کوانتومی IBM تهدیدی برای رمزنگاری کلاسیک مانند RSA هستند، زیرا الگوریتم شُر می‌تواند فاکتورگیری اعداد بزرگ را سریع انجام دهد. IBM با توسعه رمزنگاری پساکوانتومی (PQC)، مانند Kyber و Dilithium، برای محافظت از داده‌ها همکاری می‌کند. NIST در سال 2022 استانداردهای PQC را تصویب کرد و IBM در پیاده‌سازی آن‌ها پیشرو است. این فناوری‌ها بر پایه شبکه‌های لتیس و کدهای خطی هستند و IBM با دولت‌ها برای مهاجرت به PQC همکاری می‌کند. چالش‌ها شامل سازگاری با سیستم‌های موجود و افزایش حجم کلیدها است.

چرا کیوبیت‌ها شکننده و حساس به نویز هستند؟

کیوبیت‌ها به دلیل حالت کوانتومی، به نویز حساس هستند. درهم‌تنیدگی و برهم‌نهی به راحتی با تداخل‌های الکترومغناطیسی، گرما، یا ارتعاشات مختل می‌شوند، که منجر به دکوهانس (از دست رفتن حالت کوانتومی) می‌شود. کیوبیت‌های فوق‌رسانای IBM زمان همدوسی (coherence time) حدود 100 میکروثانیه دارند، که برای محاسبات پیچیده کافی نیست. نویز از منابع خارجی مانند سیگنال‌های مایکروویو یا گرمای باقی‌مانده ناشی می‌شود. IBM با ایزوله کردن کیوبیت‌ها در خنک‌کننده‌های رقیق‌سازی و استفاده از فیلترهای نویز، این حساسیت را کاهش می‌دهد.

فناوری تصحیح خطا در IBM Quantum

تصحیح خطا در IBM Quantum از کدهای سطحی (surface codes) و کدهای کوانتومی مانند Steane استفاده می‌کند. این کدها کیوبیت‌های منطقی را با کیوبیت‌های فیزیکی متعدد (تا 1000 کیوبیت فیزیکی برای یک کیوبیت منطقی) محافظت می‌کنند. IBM در سال 2023 کد سطحی با نرخ خطای 0.1% را اجرا کرد. تکنیک‌های میانی‌گام (mid-circuit measurement) برای تشخیص و تصحیح خطاها در حین محاسبه استفاده می‌شوند. چالش‌ها شامل نیاز به کیوبیت‌های اضافی (overhead) و محاسبات سنگین است، اما IBM با Eagle و Osprey به سمت مقیاس‌پذیری حرکت می‌کند.

IBM در حل مسائل علمی پیچیده دستاوردهای متعددی داشته است. در شیمی، شبیه‌سازی مولکول LiH با 4 کیوبیت در سال 2017 دقت 99.9% را نشان داد. با Eagle، IBM ساختار پروتئین‌های پیچیده را مدل کرد که برای کشف دارو مفید است. در بهینه‌سازی، الگوریتم VQE (Variational Quantum Eigensolver) برای مسائل لجستیک با 100 متغیر اجرا شد. همکاری با ExxonMobil برای مدل‌سازی کاتالیست‌های شیمیایی، 10 برابر سریع‌تر از روش‌های کلاسیک بود.

وضعیت فعلی و برنامه‌های آینده کامپیوتر کوانتومی IBM

IBM اکنون در خط مقدم توسعه کامپیوترهای کوانتومی قرار دارد و با ارائه پردازنده‌هایی همچون Condor با ۱۱۲۱ کیوبیت و Heron با ۱۵۶ کیوبیت، در مقیاس و کیفیت پیشرفت‌های چشمگیری داشته است. علاوه بر این، سیستم IBM Quantum System Two با ساختار ماژولار که شامل سه پردازنده Heron است، به عنوان اولین کامپیوتر کوانتومی ماژولار در مقیاس کاربردی معرفی شده و در سال ۲۰۲۳ رونمایی شده است. در اروپا نیز، نصب این سیستم در مرکز محاسبات کوانتومی IBM-Euskadi در سن‌سباستین، اسپانیا در حال انجام است که تا پایان ۲۰۲۵ به بهره‌برداری می‌رسد.

IBM چشم‌انداز روشنی برای دستیابی به quantum advantage یا به‌عبارت دیگر مزیت کوانتومی تا پایان ۲۰۲۶ ترسیم کرده است. این بدین معناست که سیستم‌های کوانتومی آن‌ها قادر خواهند بود مسائلی را سریع‌تر یا کارآمدتر از سوپرکامپیوترهای کلاسیک حل کنند. پردازنده‌هایی مانند Kookaburra (با ۱۳۸۶ کیوبیت) که نمونه‌ای از سیستم‌های ماژولار با اتصال بین چیپ‌هاست، قرار است با هدف دستیابی به بزرگ‌ترین پردازنده‌های کوانتومی تا سال ۲۰۲۵ وارد بازار شوند.

هدف نهایی IBM ساخت اولین کامپیوتر کوانتومی بزرگ‌مقیاس مقاوم در برابر خطا (fault-tolerant) به نام Starling تا سال ۲۰۲۹ است. این سیستم با ۲۰۰ کیوبیت منطقی قادر به انجام ۱۰۰ میلیون عملیات کوانتومی خواهد بود. پس از آن، توسعه سیستم پیشرفته‌تر تحت عنوان Blue Jay بر اساس نقشه راه تا سال ۲۰۳۳ دنبال می‌شود که قادر خواهد بود با ۲۰۰۰ کیوبیت منطقی و اجرای یک میلیارد عملیات، مرزهای جدیدی در توان محاسباتی کوانتومی رقم زند.