پردازنده کوانتومی آیبیام کندور (IBM Condor) در دسامبر سال ۲۰۲۳ در نشست کوانتومی شرکت آیبیام رونمایی شد، با ۱۱۲۱ کیوبیت ابررسانا، نخستین پردازندهای بود که مرز هزار کیوبیت را پشت سر گذاشت و رکورد جدیدی در مقیاسپذیری سختافزاری ثبت کرد. پردازنده IBM Condor نه تنها از نظر تعداد کیوبیتها پیشتاز بود، بلکه نشاندهنده توانایی شرکت در حفظ کیفیت عملکرد در مقیاسهای بسیار بزرگ به شمار میآید. این دستاورد، نقطه عطفی در مسیر حرکت به سوی رایانش کوانتومی کاربردی و مفید تلقی میشود.
شرکت آیبیام با معرفی پردازنده کوانتومی کندور، بر آن بود تا محدودیتهای طراحی تراشههای تکچیپ را آزمایش کند و درسهای ارزشمندی برای نسلهای آینده به دست آورد. این پردازنده بر پایه فناوری دروازههای رزونانس متقاطع (cross-resonance gate) ساخته شده و از معماری سنگین-هگز (heavy-hex lattice) بهره میبرد که امکان اتصال بهتر کیوبیتها و کاهش تداخلهای ناخواسته را فراهم میکند. کندور در کنار کامپیوتر کوانتومی IBM و سیستم کوانتومی دو، بخشی از تلاش گسترده آیبیام برای ایجاد زیرساختهای محاسباتی ترکیبی کوانتومی-کلاسیک است که میتواند تحولات عظیمی در علوم و صنایع مختلف ایجاد کند.
معرفی پردازنده کندور و جایگاه آن در رایانش کوانتومی
پردازنده کوانتومی آیبیام کندور با ۱۱۲۱ کیوبیت ابررسانا، بزرگترین پردازنده تکچیپ ابررسانایی است که تا آن زمان ساخته شده بود. این تراشه در مقایسه با پیشینیان خود مانند آسپری (با ۴۳۳ کیوبیت) بیش از دو برابر کیوبیت داشت و نشان داد که فناوری ساخت تراشههای کوانتومی میتواند بدون افت شدید کیفیت، به مقیاسهای بسیار بزرگ برسد. آیبیام برای دستیابی به این تعداد کیوبیت، چگالی کیوبیتها را ۵۰ درصد افزایش داد، فرآیند ساخت کیوبیتها را بهبود بخشید و اندازه لایههای چندلایه را گسترش داد. همچنین بیش از یک مایل سیمکشی انعطافپذیر پرچگال در دمای نزدیک به صفر مطلق درون یک یخچال رقیقسازی جای گرفت که خود شاهکاری مهندسی به شمار میرود.
عملکرد کندور از نظر زمان همدوسی و دقت دروازهها مشابه آسپری بود، اما این حفظ کیفیت در مقیاس بیش از هزار کیوبیت، دستاوردی چشمگیر محسوب میشود. پیش از این، بسیاری از کارشناسان معتقد بودند که افزایش تعداد کیوبیتها به طور خطی با کاهش کیفیت همراه خواهد بود، اما آیبیام با مهندسی دقیق و نوآوریهای ساختاری نشان داد که این چالش قابل مدیریت است. پردازنده آیبیام کندور نه برای اجرای الگوریتمهای پیچیده کاربردی، بلکه به عنوان یک نقطه عطف تحقیقاتی طراحی شد تا محدودیتهای فیزیکی و فنی را آشکار سازد و راه را برای رویکردهای مدولار آینده هموار کند.
مشخصات فنی و معماری کندور
معماری سنگین-هگز در کندور به گونهای طراحی شده که هر کیوبیت به دو یا سه کیوبیت مجاور متصل است و این ساختار، کاهش خطاهای ناشی از تداخل را تسهیل میکند. تعداد کیوبیتها به ۱۱۲۱ میرسد و در یک شبکه هگزاگونال گسترده قرار گرفتهاند که حدود ۴۳ کیوبیت در عرض دارد. این طراحی در مقایسه با آسپری (۲۷ کیوبیت در عرض) و ایگل (۱۵ کیوبیت در عرض) بسیار گستردهتر است و نشاندهنده پیشرفت در بستهبندی و کنترل کیوبیتها به شمار میرود.
فناوری دروازههای رزونانس متقاطع امکان اجرای عملیات دوکیوبیتی دقیق بین کیوبیتهای با فرکانس ثابت را فراهم میآورد و نسبت به روشهای دیگر، در برابر نویز مقاومتر است. کندور همچنین از سیمکشیهای پیشرفته برای کنترل و خوانش کیوبیتها استفاده میکند که در محیط بسیار سرد یخچال رقیقسازی، عملکرد پایداری دارد. این مشخصات فنی، کندور را به ابزاری ایدهآل برای آزمایش الگوریتمهای بزرگمقیاس و بررسی رفتار سیستمهای کوانتومی در رژیمهای جدید تبدیل کرده است.
نوآوریهای کلیدی در طراحی و ساخت
- افزایش ۵۰ درصدی چگالی کیوبیتها نسبت به نسل پیشین که امکان جایگیری تعداد بیشتری کیوبیت در همان سطح را فراهم آورد.
- بهبود فرآیندهای ساخت کیوبیتهای ابررسانا برای دستیابی به همدوسی طولانیتر و خطای کمتر در عملیات تککیوبیتی.
- توسعه لایههای چندلایه بزرگتر که امکان اتصال بهتر اجزای مختلف تراشه را میدهد.
- استفاده از بیش از یک مایل سیمکشی انعطافپذیر پرچگال در داخل یخچال رقیقسازی برای کنترل دقیق هزاران کیوبیت.
- حفظ عملکرد مشابه آسپری در حالی که تعداد کیوبیتها بیش از دو برابر شده بود.
- آزمایش موفقیتآمیز مقیاسپذیری تکچیپ که پایهای برای طراحیهای مدولار بعدی شد.
- ادغام با سیستم کوانتومی دو برای آزمایشهای ترکیبی کوانتومی-کلاسیک.
- بهکارگیری مواد و فرآیندهای جدید در بستهبندی برای کاهش اثرات حرارتی و نویز محیطی.
- طراحی شبکه اتصالات که امکان اجرای مدارهای کوانتومی عمیقتر را فراهم میکند.
- ایجاد زیرساخت برای جمعآوری دادههای گسترده در مورد رفتار سیستمهای بزرگ کوانتومی.
مقایسه پردازنده کوانتومی آیبیام کندور با پردازندههای پیشین آیبیام
کندور در مقایسه با ایگل (۱۲۷ کیوبیت) جهشی عظیم در تعداد کیوبیتها نشان میدهد و از آسپری (۴۳۳ کیوبیت) نیز بیش از دو برابر بزرگتر است. ایگل نخستین پردازندهای بود که از معماری سنگین-هگز بهره برد و پایه فنی کندور را تشکیل داد. آسپری گام بعدی در آزمایش مقیاس بود و عملکرد آن نشان داد که افزایش تعداد کیوبیتها بدون افت شدید کیفیت ممکن است. کندور این روند را به اوج رساند و ثابت کرد که حتی در مقیاس بیش از هزار، میتوان کیفیت قابل قبولی حفظ کرد.
در مقابل، هرون (با ۱۳۳ کیوبیت) که همزمان با پردازنده کوانتومی کندور معرفی شد، تمرکز بر کیفیت و کاهش خطا داشت و نرخ خطای بسیار پایینتری (سه برابر بهتر از نسل پیش) ارائه داد. این تفاوت رویکرد نشاندهنده تغییر استراتژی آیبیام از افزایش صرف تعداد کیوبیت به سمت بهبود کیفیت و سپس مقیاسپذیری مدولار است. کندور بیشتر نقش تحقیقاتی داشت، در حالی که هرون برای کاربردهای نزدیکمدت مفیدتر بود.
کاربردهای بالقوه و محدودیتها
پردازنده کوانتومی آیبیام کندور امکان اجرای مدارهای کوانتومی با عمق بیشتر و تعداد کیوبیت بالاتر را فراهم میآورد که برای شبیهسازی سیستمهای مولکولی پیچیده، بهینهسازی مسائل ترکیبی بزرگ و بررسی پدیدههای فیزیکی کوانتومی مفید است. با این حال، به دلیل نرخ خطای نسبتاً بالا در مقیاس هزار کیوبیت، اجرای الگوریتمهای بدون تصحیح خطا محدود است و بیشتر برای آزمایشهای تحقیقاتی به کار میرود.
در زمینه شیمی کوانتومی، کندور میتواند مدلسازی مولکولهای بزرگ را با دقت بالاتری نسبت به رایانههای کلاسیک انجام دهد، هرچند هنوز به سطح کاربردی کامل نرسیده است. محدودیت اصلی آن، نیاز به تصحیح خطا برای مدارهای طولانی است که آیبیام آن را به نسلهای بعدی موکول کرده است. کندور بیشتر به عنوان پلی میان مقیاسهای کوچک و سیستمهای مدولار بزرگ عمل میکند.
نقش پردازنده کوانتومی کندور در نقشه راه آیبیام برای رایانش کوانتومی کاربردی
آیبیام با معرفی کندور، مرحله تکچیپ مقیاسپذیر را به پایان رساند و به سمت رویکرد مدولار حرکت کرد. این پردازنده نشان داد که محدودیتهای فیزیکی تکچیپ قابل عبور است، اما برای کاربرد واقعی، نیاز به اتصال چندین تراشه با کیفیت بالا وجود دارد. نقشه راه آیبیام پس از کندور بر بهبود کیفیت (مانند هرون) و سپس اتصال مدولار (مانند فلامینگو و کوکابورا) تمرکز دارد.
پردازنده کوانتومی آیبیام کندور دادههای ارزشمندی در مورد نویز، همدوسی و کنترل در مقیاس بزرگ فراهم کرد که برای طراحی سیستمهای آینده ضروری است. این پردازنده بخشی از تلاش برای رسیدن به رایانش کوانتومی مفید در پایان دهه جاری و رایانش کوانتومی مقاوم در برابر خطا در سالهای بعد است.
چالشهای فنی در ساخت پردازندههای هزار کیوبیتی
ساخت پردازندهای با بیش از هزار کیوبیت نیازمند غلبه بر چالشهای متعددی است. یکی از مهمترین مسائل، حفظ همدوسی کیوبیتها در حضور نویز محیطی و تداخلهای متقابل است. هر کیوبیت اضافی، احتمال خطا را افزایش میدهد و کنترل دقیق همه آنها را دشوار میسازد. آیبیام با بهبود فرآیندهای ساخت و طراحی معماری مناسب، این چالش را تا حد زیادی مدیریت کرد.
چالش دیگر، مدیریت حرارتی و سیمکشی است. در دمای نزدیک به صفر مطلق، هر گرم حرارت اضافی میتواند عملکرد را مختل کند. کندور با بیش از یک مایل سیمکشی، نشان داد که میتوان زیرساختهای پیچیده را در چنین محیطی پیادهسازی کرد. همچنین، خوانش و کنترل هزاران کیوبیت بدون ایجاد نویز اضافی، نیازمند الکترونیک پیشرفته و نرمافزار دقیق است.
پس از کندور، آیبیام بر سیستمهای مدولار تمرکز کرد که چندین تراشه را با لینکهای کوانتومی یا کلاسیک متصل میکنند. این رویکرد امکان مقیاسپذیری بدون محدودیتهای تکچیپ را فراهم میآورد. پردازندههای بعدی مانند هرون، فلامینگو و کوکابورا کیفیت بالاتری دارند و پایه سیستمهای مقاوم در برابر خطا را تشکیل میدهند. در بلندمدت، هدف آیبیام دستیابی به رایانههای کوانتومی با میلیونها کیوبیت منطقی است که بتوانند مسائل پیچیده دنیای واقعی را حل کنند. کندور به عنوان آخرین گام بزرگ در مقیاس تکچیپ، نقش کلیدی در درک محدودیتها و جهتگیری آینده ایفا کرد.
