چند سال پیش زمانی که دانشجوی ارشد بودم تنها کلاسی که از کنجکاوی شرکت می‌کردم الکترونیک کوانتوم بود. زمانی‌که پیش استادم رفتم و گفتم گوگل در حال ساختن کامپیوترهای کوانتومیه، استادم باور نکرد! گفت تا الان کوانتوم هنوز در حد تئوریه و نمونه دستگاه عملی از اون هنوز ساخته نشده. امروز که این مطلب را می‌نویسم خیلی از کشورها ساختن مرحله آزمایشگاهیش را تمام کردن، کشورهایی مثل آمریکا و چین که در این زمینه پیشتاز هستند.
آیا صنعت نیمه‌هادی به بن‌بست رسیده؟
در حال حاضر تمامی پیشرفت‌های تکنولوژیک بر مبنای محاسبات دودویی هست. قطعاتی که این محاسبات را از دنیای تئوری وارد دنیای عملی می‌کنند ترانزیستورها هستند که میلیاردها عدد از آنها داخل یک CPU قدرتمند امروزی هست. زمانی که درس VLSI را پاس می‌کردم یجورایی متوجه شدم که کم‌کم صنعت چیپ‌سازی داره به نقطه اشباع می‌رسه! ولی چرا؟
طبق قانون مور (Moore) هر دو سال تعداد کل ترانزیستورهایی که داخل یک مساحت ثابت از یک چیپ قرار می‌گیره دو برابر میشه و یا به عبارتی اندازه هر ترانزیستور نصف میشه. این صحبت هیچوقت علمی نبود، Moore صرفا این پیش‌بینی بزرگ و به شکل عجیب دقیق را فقط بر حسب مشاهداتش و نبوغی که داشت به درستی گفته بود.
اما دقت کنید مور گفت هر دو سال اندازه ترانزیستورها نصف میشه پس با این حساب از یه جایی دیگه نمیشه اندازه ترانزیستور را بیشتر از این نصف کرد. در حال حاضر با پیشرفت شگفت‌انگیزی که صنعت نیمه‌هادی داشته، در کارخانه‌های پیشتاز دنیا مثل Intel یا TSMC حداقل اندازه ترانزیستور به 5 یا حتی 3 نانومتر هم رسیده. برای مقایسه، اندازه یک اتم یک‌دهم یک نانومتره! یعنی به شکل تقریبی امروزه یک ترانزیستور تنها 30 برابر اندازه یک اتم را داره! این درحالی‌که برای ساخت چیپ محدودیت‌هایی هم وجود داره و دیگه از یه جایی نمیشه طول موج نور که برای ساخت یک ترانزیستور استفاده میشه از این کوتاه‌تر باشه. پس صحبت مور در طول زمان تبدیل شد به یک قانون محدودکننده.
نکته مهم دیگه اینه که با کاهش اندازه ترانزیستور فرکانس کاری میتونه افزایش پیدا کنه و با افزایش فرکانس سرعت انجام محاسبات بیشتر میشه اما نکته مهم اینه که مقدار فرکانس یک چیپ با دمای چیپ رابطه مستقیم داره. در زیر نموداری را می‌بینید که بر اساس اون با این روندی که فرکانس CPUها داره افزایش پیدا می‌کنه تا سال‌های بعد دمای اون‌ها به دمای نازل موتور جت هواپیما می‌رسه!
نمودار پیش‌بینی چگالی توان بر حسب وات بر سانتی‌متر مربع
همه این‌ها به یک نکته اشاره می‌کنه که ظاهرا صنعت نیمه‌هادی و قدرت پردازش CPUها داره به بن‌بست می‌رسه.
کوانتوم و محاسبات کوانتومی چیست؟
بدون مطالعه دقیق روابط ریاضی و فرمول‌های مربوط به کوانتوم امکان فهم عمیقی از فیزیک کوانتوم وجود نداره ولی به طور خلاصه فیزیک کوانتوم همون فیزیک مدرنه که در مقابل فیزیک کلاسیک نیوتونی قرار می‌گیره. به اندازه‌ای دنیای کوانتوم دنیای عجیبیه که در زمانی که توسط دانشمندان معروف حوزه خودش مثل شرودینگر، بور یا مکس پلانک مطرح شد در کمال تعجب توسط بزرگترین فیزیکدان آن زمان یعنی آلبرت انیشتن رد شد. انیشتن با گفتن این جمله معروف که “خدا دنیا را با تاس انداختن اداره نمی‌کنه” مخالفت خودش را با تئوری کوانتوم نشون داد ولی بعدها معلوم شد انیشتن اشتباه می‌کرده!
آلبرت انیشتین
مجموعه‌ای از علوم مختلف در شکل‌گیری کوانتوم نقش داشتند که یکی از مهم‌ترین‌هاش تئوری احتماله. مفاهیمی مثل اصل عدم قطعیت و احتمالات در کوانتوم بسیار مهم‌اند و ظاهرا انیشتن با این وجهش مشکل داشته. انیشتن کوانتوم را مخوف و رمزآلود می‌دونست و انصافا هم تئوریات و مباحث اون عجیب و عقلانی نیست. اما موضوع این نیست که فیزیک کوانتوم عجیبه، مسئله اینه که کوانتوم برای توضیح پدیده‌های طبیعی که با چشم مشاهده شده بودند و خیلی هم عجیب بودند خلق شد نه اینکه این علم به خودی خود اسرارآمیز و پیچیده بود.
فیزیک کوانتوم برای توضیح رفتار ذرات زیراتمی و یا کوچکتر از اندازه اتم مطرح شد. در این سطح تئوریات فیزیک کلاسیک نیوتونی اصلا کارایی ندارند و هیچ پدیده‌ای را به درستی توضیح نمیدن. مثلا قطعه‌ای الکترونیکی به اسم دیود Tunneling وجود داره (دیود تونل‌زنی). ما انتظار داریم هر چقدر ولتاژ دیودها افزایش پیدا می‌کنه جریان دیود هم افزایش پیدا کنه ولی این موضوع در این دیود برعکسه! یعنی از یه جایی هرچقدر ولتاژ دیود افزایش پیدا می‌کنه جریان اون کمتر میشه! به این ناحیه مقاومت منفی میگن.
شبیه این پدیده‌ها در دنیای زیراتمی کم نیست. به طور مثال اگر به ما بگن که فردی با تلاش زیاد از دیواری رد شده ما خیلی تعجب می‌کنیم ولی واقعیت اینه که این پدیده در دنیای زیراتمی همیشه مشاهده میشه یعنی ذراتی با سطح انرژی کمتر از یک سد ولتاژ با انرژی بیشتر از خودشون می‌تونن عبور کنن! این برای یه فیزیکدان همون قدر عجیب بوده که احتمالا رد شدن یک آدم از دیوار برای ما.
همه این حرف‌ها به کنار چون میشه ساعت‌ها در مورد کوانتوم صحبت کرد ولی موضوع اصلی اینه که اخیرا کامپیوترهای کوانتومی ساخته شده که قدرت پردازششون به طرز وحشتناکی بالاست. دقت کنید هنوز این کامپیوترها تجاری‌سازی نشدن ولی همه از این صحبت می‌کنن که اگه روزی تجاری‌سازی بشه لپ‌تاپ شما ممکنه به اندازه یه ابرکامپیوتر بزرگ قدرت پردازشی داشته باشه!
یک کامیپوتر کوانتومی
توجه کنید اینجا فرکانسی در کار نیست، پردازشگر CPU با معماری ARM یا Harvard مطرح نمیشه. قدرت پردازش کامپیوتر کوانتومی با کیوبیت‌ها اندازه‌گیری میشه مثلا در این مستند چیپ کوانتومیه شرکت IBM به نام هرن 130 کیوبیت قدرت پردازش داره. این بار موضوع ساخت کامپیوتری هست که بتونه محاسبات کوانتومی پیچیده را انجام بده مثلا رمزگشایی از یک دستگاه در چند دقیقه که رمزگشایی از اون با کامپیوتر معمولی یک میلیون سال زمان می‌بره.
پرفسور هانا فرای و کامپیوترهای کوانتومی
مستند زیرنویس شده که اینجا قرار داده شده توسط پروفسور هانا فرای در سال 2024 ساخته شده. در این مستند ما برای اولین بار نمونه‌های ساخته شده واقعی از کامپیوترهای کوانتومی را می‌بینیم. من شخصا هیچوقت تصور نمی‌کردم که تمام ساختار بزرگ کامپیوترهای کوانتومی در حقیقت یه سیستم خنک‌کنندگی بزرگه و خود کامپیوتر یک چیپ کوچک به اندازه CPUهای امروزیه.
نکته مهم بعدی رقابت نفس‌گیر بین چین و آمریکا برای پیشتاز بودن در این حوزه هست که در این مستند به آن پرداخته شده. همین الان ما صحبت از سیستم خنک‌کنندگی بزرگ و پیچیده کردیم پس چطور چین موفق شده ماهواره‌ای با قدرت ارسال سیگنال‌های رمزگذاری شده کوانتومی بسازه؟ چطور این سیستم خنک‌کنندگی عظیم را باهاش فرستاده فضا!!؟ چطور ممکنه چین 3 برابر بیشتر از آمریکا در یک حوزه تکنولوژیک سرمایه‌گذاری کرده باشه!؟
موضوع جالب دیگه در این مستند نشان دادن آسیب‌پذیری سیستم‌های رمزنگاری در برابر تهدیدات محاسبات کوانتومیه. حالا با چنین قدرت پردازشی بزرگی عملا رمزگشایی از پروتکل‌های اینترنتی خیلی راحت به نظر می‌رسه پس ما دنیایی بدون راز خواهیم داشت. بی علت نبوده که چین می‌خواسته ماهواره ارسالیش دارای سیستم رمزنگاری کوانتومی باشه تا احتمالا در برابر حمله‌های کوانتومی در امان باشه.
بازدید از پروژه ساخت کامپیوتر کوانتومی IBM
در انتها امیدوارم از مطالب ارائه شده استفاده کرده باشید. پیشنهاد می‌کنم این مستند 25 دقیقه‌ای جالب را تماشا کنید. به نظر شما با توجه به تمام اطلاعات و آمارهای ارائه شده در این مستند این مسابقه کوانتومی را آمریکا برنده میشه یا چین؟
