کامپیوترهای کوانتومی به تازگی از نخستین نقطه عطف عملی در تصحیح خطا عبور کردند
محاسبات کوانتومی در طول ده سال گذشته، همواره پنج تا ده سال با تحقق فاصله داشته است. ادعاها واقعی بودند — فیزیک پایه درست است — اما شکاف مهندسی بین کیوبیتهای نظری و محاسبات قابل اعتماد بسیار بزرگ بوده. این شکاف در سال ۲۰۲۶ در حال بسته شدن است و نقطه عطفی که امسال رد میشود به اندازهای مشخص است که ارزش توجه دارد: رایانههای کوانتومی با تصحیح خطا برای اولین بار به مشتریان پرداختکننده تحویل داده میشوند.
این به معنای آن نیست که رایانههای کوانتومی آماده جایگزینی ماشینهای کلاسیک برای بارهای کاری عمومی هستند. معنایش این است که مشکل بنیادین — خطاهای کوانتومی که سریعتر از توانایی تصحیح آنها انباشته میشوند — در مقیاس کوچک حل شده است. این همان گشایشی است که همه چیزهای بعدی را ممکن میکند.
چرا تصحیح خطا مشکل اصلی است
یک بیت کلاسیک یا صفر است یا یک. یک کیوبیت میتواند در برهمنهی حالتها وجود داشته باشد، که همین به رایانههای کوانتومی قدرت نظری میدهد. مشکل این است که کیوبیتها به شدت شکننده هستند — نویز حرارتی، تداخل الکترومغناطیسی و حتی تشعشعات کیهانی باعث میشوند که بچرخند یا همدوسی خود را از دست بدهند. یک محاسبه که به هزاران عملیات گیت نیاز دارد، به سرعت خطاهایی را انباشته میکند که نتیجه را مخدوش میکند.
راه حل کدهای تصحیح خطاست: استفاده از تعداد زیادی کیوبیت فیزیکی برای رمزگذاری یک «کیوبیت منطقی» قابل اعتماد. بسته به نرخ خطا و کد استفاده شده، یک سیستم معمولی ممکن است به ۲۰ تا ۱۲۰۰ کیوبیت فیزیکی برای هر کیوبیت منطقی نیاز داشته باشد. چالش مهندسی، ساخت سیستمهایی با تعداد کافی کیوبیت فیزیکی، نرخ خطای پایین و چرخههای تصحیح سریع است تا کیوبیتهای منطقی عملی شوند.
سال ۲۰۲۶ سالی است که اولین سیستمهای منطبق بر این معیار تحویل داده شدهاند.
تحویل سیستم QuEra به ژاپن: ۳۷ کیوبیت منطقی
QuEra، یک استارتآپ از دانشگاه هاروارد، اوایل امسال یک رایانه کوانتومی تصحیحشده خطا را به مؤسسه ملی علوم و فناوری پیشرفته صنعتی ژاپن (AIST) تحویل داد. این سیستم با حدود ۳۷ کیوبیت منطقی ساخته شده از ۲۶۰ کیوبیت فیزیکی کار میکند. رویکرد QuEra از اتمهای خنثی — اتمهای روبیدیم به دام افتاده توسط لیزر — استفاده میکند که مزایایی در اتصال (هر کیوبیت میتواند با هر کیوبیت دیگر تعامل کند) در مقایسه با معماریهای ابررسانا دارد که در آنها اتصال به صورت توپولوژیکی محدود است.
۳۷ کیوبیت منطقی با هیچ تعریف عملی بزرگی نیست — رایانههای کلاسیک معمولاً با میلیاردها بیت کار میکنند. اما اینها کیوبیتهای منطقی تصحیحشده خطا هستند، نه کیوبیتهای فیزیکی خام که مستعد نویزند. این آنها را برای کارهای الگوریتمی واقعی قابل استفاده میکند، بر خلاف سیستمهای بزرگتر و نویزیتر سالهای ۲۰۲۳-۲۰۲۴.
مایکروسافت و Atom Computing: Magne
مایکروسافت سیستمی به نام Magne را به صندوق صادرات و سرمایهگذاری دانمارک و بنیاد نووو نوردیسک تحویل میدهد. این ماشین تا اوایل ۲۰۲۷ دارای ۵۰ کیوبیت منطقی ساخته شده از حدود ۱۲۰۰ کیوبیت فیزیکی خواهد بود. رویکرد مایکروسافت با QuEra متفاوت است: آنها کیوبیتهای توپولوژیکی (از طریق Majorana 1 که اوایل امسال معرفی شد) را دنبال میکنند که به طور نظری ذاتاً مقاومتر در برابر خطا هستند و در مقیاس احتمالاً به کیوبیت فیزیکی کمتری به ازای هر کیوبیت منطقی نیاز دارند.
معاون بخش کوانتوم مایکروسافت مراقب بوده تا نقاط عطف ۲۰۲۶-۲۰۲۷ را به جای «مزیت تجاری»، «مزیت علمی» بنامد — موضعی صادقانه با توجه به جایگاه فعلی فناوری. این سیستمها برای شبیهسازیهای شیمی کوانتومی، مسائل بهینهسازی و تحقیقات علم مواد استفاده خواهند شد، جاهایی که رایانههای کلاسیک واقعاً با تنگنا مواجهند. آنها جایگزینهای عمومی برای هیچ چیزی که امروز در دیتاسنتر شما اجرا میشود نیستند.
IBM و گوگل: مسیر ابررسانا
نقشه راه IBM هدف خود را برای اثبات مزیت کوانتومی تا پایان ۲۰۲۶ با استفاده از پردازنده ۱۲۰ کیوبیتی Nighthawk تعیین کرده است، با سرعتی ۱۰ برابری در تصحیح خطای کوانتومی که یک سال زودتر از برنامه محقق شده است. تراشه Willow گوگل قبلاً تصحیح خطای «زیر آستانه» را نشان داده است — یعنی افزودن کیوبیتهای بیشتر در واقع خطا را کاهش میدهد نه افزایش — و یک الگوریتم همبستهکننده زمانی خارج از ترتیب را ۱۳۰۰۰ بار سریعتر از ابررایانههای کلاسیک روی معیار خاصی که برای نمایش مزیت کوانتومی طراحی شده بود اجرا کرد.
معیار گوگل نیازمند اخطار استاندارد است: نمایشهای مزیت کوانتومی معمولاً روی مسائلی انجام میشوند که به طور خاص برای سود بردن از رویکردهای کوانتومی ساخته شدهاند. نشان دادن اینکه یک رایانه کوانتومی از یک ابررایانه کلاسیک روی یک مسئله carefully انتخاب شده بهتر عمل میکند، با نشان دادن اینکه روی بارهای کاری مهم تجاری از یک دیتاسنتر بهتر عمل میکند یکسان نیست. IBM و گوگل این را میدانند؛ نقاط عطف واقعی هستند، اما قالببندی گاهی از کاربردهای عملی جلو میزند.
کاربردهای عملی که در حال حاضر وجود دارند
سازمانهایی که در سال ۲۰۲۶ برنامههای فعال محاسبات کوانتومی دارند، روی سه حوزه متمرکز شدهاند که مزیت کوانتومی اولیه در آنها محتملتر است:
- شیمی کوانتومی و کشف دارو: شبیهسازی برهمکنشهای مولکولی در مقیاس کوانتومی برای رایانههای کلاسیک به طور نمایی دشوار است. شرکتهای دارویی از طریق پردازندههای کوانتومی مبتنی بر ابر، workflows شبیهسازی مولکولی را اجرا میکنند.
- بهینهسازی پرتفوی: مؤسسات مالی نمونههای اولیه بهینهسازی کوانتومی برای ساخت پرتفوی و مدلسازی ریسک اجرا میکنند، جایی که فضای جستجوی ترکیبی فراتر از آن چیزی است که روشهای ابتکاری کلاسیک میتوانند به طور کارآمد جستجو کنند.
- مسیریابی لجستیک: بوئینگ یک پروژه کوانتومی ۲.۵ میلیون دلاری (QUICK) برای مدلسازی خوردگی هواپیما از طریق workflows ترکیبی کوانتومی-کلاسیک راهاندازی کرد. تیمهای لجستیک الگوریتمهای مسیریابی را با رویکردهای ترکیبی مشابه محک میزنند.
«ترکیبی» کلمه عملیاتی است. در سال ۲۰۲۶، مؤثرترین تنظیمات محاسبات کوانتومی، پردازندههای کوانتومی را برای هسته دشوار ترکیبی یا شبیهسازی مسئله با محاسبات کلاسیک برای بقیه موارد ترکیب میکنند. محاسبات کوانتومی خالص برای بارهای کاری سرتاسری هنوز یک نقطه عطف آینده است.
جدول زمانی منطقی
سیستمهای تصحیحشده خطا با ۵۰ تا ۱۰۰ کیوبیت منطقی: ۲۰۲۶-۲۰۲۷ (هماکنون در حال وقوع). سیستمهایی با صدها کیوبیت منطقی که قادر به اجرای الگوریتمهای تجاری معنادار با مزیت هستند: طبق محتملترین تخمینها ۲۰۲۸-۲۰۳۰. رایانههای کوانتومی همهمنظوره که ماشینهای کلاسیک را در بارهای کاری گسترده جابهجا کنند: ۲۰۳۵ یا بعد، اگر اصلاً.
دلیل اهمیت نقطه عطف ۲۰۲۶ این نیست که رایانههای کوانتومی امروز برای زیرساخت شما مفیدند. بلکه این است که مانع مهندسی بنیادین — تصحیح خطا در مقیاس کیوبیت منطقی — در مقیاس کوچک رد شده است. این نقشههای راه را تأیید میکند و پیشبینیهای ۲۰۲۸-۲۰۳۰ را بسیار معتبرتر از دو سال پیش میکند.
در ۱۸ ماه آینده تعداد کیوبیتهای منطقی را تماشا کنید. وقتی آن عدد روی یک سیستم قابل اعتماد و در دسترس از ۲۰۰ عبور کند، کاربردها دنبال خواهند آمد.