یخچال‌های کوانتومی جدید آی‌بی‌ام ۱۸۰ برابر از دمای فضا سردتر هستند

3 هفته پیش

0 69,429 خواندن این مطلب 4 دقیقه زمان میبرد

یخچال‌های کوانتومی جدید آی‌بی‌ام ۱۸۰ برابر سردتر از فضا هستند

شرکت آی‌بی‌ام به تازگی از یک سامانه سرمایشی ماژولار جدید رونمایی کرده که قادر است تراشه‌های کوانتومی را در دماهایی نزدیک به صفر مطلق به یکدیگر متصل کند.

رایانه‌های کوانتومی برای انجام محاسبات پیچیده به شرایط خاصی نیاز دارند و یکی از این شرایط، دمای بسیار پایین است. تراشه‌های کوانتومی ابررسانا تنها در دماهای نزدیک به صفر مطلق می‌توانند به دقت مطلوبی دست یابند. این موضوع با افزایش تعداد کیوبیت‌ها و بزرگ‌تر شدن سامانه‌ها، به یکی از چالش‌های اصلی در توسعه این فناوری تبدیل شده است.

اکنون آی‌بی‌ام با معرفی معماری سرمایشی ماژولار جدید خود، به دنبال راهی برای اتصال چندین پردازنده کوانتومی در شرایط فوق‌سرد است و زیرساخت لازم برای نسل بعدی رایانه‌های کوانتومی را فراهم می‌آورد.

این سامانه سرمایشی جدید که توسط آی‌بی‌ام معرفی شده، برای اتصال چندین پردازنده کوانتومی و ساخت رایانه‌های بزرگ‌تر طراحی شده است. به گزارش خبرنگار پایگاه خبری، این سامانه می‌تواند تراشه‌های کوانتومی را تا حدود ۱۰ میلی‌کلوین، معادل منفی ۲۷۳٫۱۴ درجه سانتی‌گراد، سرد کند؛ دمایی که حدود ۱۸۰ برابر پایین‌تر از دمای معمول فضای میان‌ستاره‌ای است.

یخچال‌های کوانتومی جدید IBM می‌توانند تراشه‌ها را تا حدود ۱۰ میلی‌کلوین، یعنی نزدیک به صفر مطلق سرد کنند.

هدف آی‌بی‌ام از توسعه این «یخچال‌های کوانتومی» حل یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های گسترش رایانه‌های کوانتومی ابررسانا است. در این معماری‌ها، افزایش تعداد کیوبیت‌ها تنها به ساخت تراشه‌های بزرگ‌تر محدود نمی‌شود و به زیرساختی نیاز دارد که بتواند تعداد زیادی تراشه را در دماهای بسیار پایین نگه دارد و در عین حال ارتباط میان آن‌ها را حفظ کند.

آی‌بی‌ام اعلام کرده که طراحی ماژولار جدید می‌تواند بخشی از زیرساخت لازم برای ساخت نخستین رایانه کوانتومی مقاوم به خطای این شرکت، با نام Starling باشد که عرضه آن برای سال ۲۰۲۹ برنامه‌ریزی شده است.

چرا رایانه‌های کوانتومی باید تا این حد سرد باشند؟

رایانه‌های کوانتومی ابررسانای آی‌بی‌ام اطلاعات را در واحدهایی به نام کیوبیت پردازش می‌کنند. این کیوبیت‌ها بسیار حساس هستند و گرما، امواج الکترومغناطیسی و سایر عوامل محیطی می‌توانند حالت کوانتومی آن‌ها را مختل کرده و میزان خطا را افزایش دهند. برای کاهش این اختلال‌ها، تراشه‌های کوانتومی آی‌بی‌ام باید در دماهای کمتر از حدود ۱۵ میلی‌کلوین فعالیت کنند که بسیار نزدیک به صفر مطلق است.

سیستم سرمایشی جدید از ماژول‌هایی مستقل تشکیل شده که هرکدام حدود ۲٫۴ متر ارتفاع و عرض دارند. این واحدها از سامانه‌های تبرید مبتنی بر هلیوم و فناوری «تبرید رقیق‌سازی» برای رسیدن به دماهای بسیار پایین استفاده می‌کنند. محفظه‌های خلأ، سپرهای حرارتی چندلایه و محافظ‌های الکترومغناطیسی نیز از پردازنده‌ها در برابر گرما و نویز محیطی محافظت می‌کنند.

طبق اعلام آی‌بی‌ام، بیش از چهار روز زمان لازم است تا یک ماژول از دمای محیط به حدود چهار کلوین برسد و پس از آن دما به کمتر از ۱۵ میلی‌کلوین کاهش پیدا می‌کند.

چرا ساخت یک یخچال بزرگ کافی نیست؟

برای افزایش توان رایانه‌های کوانتومی، نمی‌توان تعداد نامحدودی کیوبیت را روی یک تراشه قرار داد. بنابراین، سیستم‌های بزرگ‌تر به چندین تراشه و پردازنده کوانتومی نیاز دارند. یکی از راه‌ها ساخت محفظه‌ای بسیار بزرگ و فوق‌سرد برای نگهداری تمام تراشه‌ها است، اما چنین سامانه‌ای پیچیده و آسیب‌پذیر خواهد بود. هر بار که مهندسان بخواهند یکی از تراشه‌ها را تعویض یا بررسی کنند، ممکن است مجبور شوند کل سامانه را از شرایط عملیاتی خارج کنند.

طراحی ماژولار آی‌بی‌ام به مهندسان این امکان را می‌دهد که چند واحد سرمایشی مستقل را به هم متصل کنند و ظرفیت رایانه کوانتومی را به تدریج افزایش دهند. در این معماری، تعداد مشخصی از تراشه‌ها در هر ماژول سرمایشی قرار می‌گیرند و چند ماژول می‌توانند به یکدیگر متصل شوند. نوآوری اصلی، برقراری ارتباط کوانتومی میان پردازنده‌هایی است که در دو یخچال جداگانه قرار دارند.

آی‌بی‌ام برای اتصال ماژول‌ها از قطعاتی به نام L-coupler استفاده می‌کند. این قطعات در واقع کابل‌های ابررسانای آلومینیومی با طولی تا حدود یک متر هستند. در رایانه‌های کوانتومی معمولی، ارتباط بین کیوبیت‌ها از طریق اتصال‌های بسیار کوتاه روی خود تراشه انجام می‌شود. این قطعات قرار است همین ارتباط را در فاصله‌ای بسیار بیشتر و بین تراشه‌هایی برقرار کنند که حتی در دو محفظه سرمایشی جداگانه قرار گرفته‌اند.

آینده رایانه‌های کوانتومی

الیور دیال، معاون عملیات کوانتومی آی‌بی‌ام، می‌گوید این فناوری امکان انجام عملیات دوکیوبیتی میان تراشه‌های جداگانه را فراهم می‌کند و پایه‌گذار معماری ماژولار آینده این شرکت خواهد بود. آی‌بی‌ام برای نخستین‌بار توانسته است دو ماژول سرمایشی جداگانه را به یکدیگر متصل و هم‌زمان تا دمای عملیاتی لازم برای پردازنده‌های کوانتومی سرد کند.

آی‌بی‌ام قصد دارد استفاده از معماری سرمایشی ماژولار را از سال ۲۰۲۷ آغاز کند. نخستین سامانه‌ها قرار است از دو یا سه ماژول تشکیل شوند و در مجموع امکان پشتیبانی از حدود هزار کیوبیت را داشته باشند. هدف بلندمدت، ساخت رایانه کوانتومی Starling در سال ۲۰۲۹ است. آی‌بی‌ام انتظار دارد این سامانه بتواند تا ۱۰۰ میلیون عملیات کوانتومی را در یک اجرای پیوسته انجام دهد. رسیدن به چنین مقیاسی مستلزم دستیابی به محاسبات کوانتومی مقاوم به خطا است.

چالش‌های پیش رو

با وجود پیشرفت‌های اخیر، آی‌بی‌ام هنوز عملکرد کامل رایانه کوانتومی ماژولار را نشان نداده است. پژوهشگران فعلاً ثابت کرده‌اند که دو واحد سرمایشی را می‌توان به یکدیگر متصل کرد و هم‌زمان به دمای عملیاتی رساند. این شرکت آزمایش‌هایی اولیه با پردازنده‌ی فلمینگو انجام داده، اما هنوز محاسبات پیچیده کوانتومی میان چند ماژول اجرا نشده است. آی‌بی‌ام همچنین قصد دارد پردازنده‌های نسل جدید نایت‌هاوک را در این سامانه‌ها آزمایش کند.

رقابت در عرصه رایانه‌های کوانتومی

جری چو، مدیر ارشد فناوری ابررایانه‌های کوانتومی آی‌بی‌ام، می‌گوید رسیدن به رایانه‌های مقاوم به خطا احتمالاً نتیجه یک کشف واحد نخواهد بود، بلکه به مجموعه‌ای از پیشرفت‌های کوچک مهندسی در پردازنده‌ها، نرم‌افزار، سامانه‌های کنترل، تصحیح خطا و زیرساخت‌های سرمایشی نیاز دارد. آی‌بی‌ام تنها شرکتی نیست که برای رسیدن به رایانه کوانتومی مقاوم به خطا رقابت می‌کند. شرکت‌ها و گروه‌های پژوهشی دیگر نیز معماری‌های متفاوتی را دنبال می‌کنند و برخی از آن‌ها حتی به سراغ سامانه‌هایی نظیر رایانه‌های مبتنی بر فوتون‌ها یا نقص‌های کوانتومی در الماس رفته‌اند که برای کارکرد به چنین دماهای پایینی نیاز ندارند.