Liquid؛ پلتفرم نرم افزاری و الگوریتم های شبیه ساز پردازش کوانتومی مایکروسافت!

بحث رایانش کوانتومی، عمری کمتر از یک دهه دارد، با این حال ایده پشت آن و دسترسی های گسترده ای که می تواند در اختیار بشر قرار دهد، به قدری جالب توجه است که بسیاری از کمپانی های معروف دنیای امروز، دستی در پیش برد و عملی کردن طرح آن دارند، لازم به ذکر است تا کنون دو رایانه کوانتوکی در سال های ۲۰۱۱ و ۲۰۱۳ توسط شرکت D-Wave Systems ارایه شده اند. حال مایکروسافت از الگوریتم های کوانتومی خود سخن میگوید.

رایانش کوانتومی چیست؟

اگر نگاهی به درون کیس پی سی خود بیاندازید، قطعا با خود خواهید گفت: بشر چگونه توانست در کمتر از شصت سال به یک چنین نقطه ای برسد، پاسخ بسیار سادست: طبیعت، قانون طبیعت و هر آنچه روزانه در اطراف خود می بینیم بشر را به این نقطه رهنمون کرده، و این یعنی فیزیک. فیزیک چیزیست که در نفس کشیدمان نیز وجود دارد و توسط مفهوم آن می توانیم تقریبا همه چیز را تعریف کنیم، صورت مسئله بنویسیم راه حل ارایه دهیم و میلیون ها میلیون حالت دیگر. در یک جمله: رایانه یک کشف نیست، بلکه تنها یک اختراع است، اختراعی بر گرفته از جهانی که در آن زندگی می کنیم. همین فیزیک بر اساس همین طبیعت پدیده ها را تشخیص و مطرح می کند، الگوریتم ها را به وجود می آورد، منجر به ساخت چیزی به اسم ترانزیستور می شود و چه و چه و چه. تا جایی که فیزیک پدید آورنده ترانزیستور در مقابل پدیده هایی دیگر کم می آورد و دیگر الگوریتم و راه حلی برای آن نمی سازد، نمی تواند که بسازد. اینجاست که باید از یک فیزیک جدید برای درک مسائل جدید استفاده شود. رایانش کوانتومی چیزیست که فیزیک جدید آن را مطرح می کند.

سیستم ها و الگوریتم ها و پردازنده های ترانزیستوری یا به طور دقیق تر هر لپ تاپ و تبلت و پی سی که اکنون در هر خانه ای یافت می شوند، همگی مبتنی بر پردازش دودویی (بیتی) هستند و این پردازش توسط ترانزیستور ها انجام می پذیرد. ترانزیستور قطعه ای اکترونیکی است که می توان گفت از لحاظ علمی به نهایت خود رسیده است، یعنی این فناوری هم اکنون به بالاترین حد تکامل خود رسیده و تکنولوژی روز دنیا، تنها می تواند اندازه آن را کوچکتر کند و تعداد بیشتری از آن را روی سطح سیلیکونی یک تراشه چاپ کند، ساده تر این که علم ترانزیستور عملا به نهایت خود رسیده و دیگر کاری برای افزایش قابل توجه راندمان آن وجود ندارد و روشی برای بالا پایین کردن مولفه های ماهیت آن وجود ندارد که نهایتا بتوان مفهوم جدیدی از داخل آن استخراج کرده و دست به ساخت چیز های جدیدی زد. این پایان راه ترانزیستور است، از این جلوتر نمی توان رفت!

در مقابل تکنولوژی امروز با مفهوم نه چندان جدیدی به اسم رایانش کوانتومی روبه رو گشته که آن را به عنوان راه حلی شگرف، برای عبور از محدودیت های رایانش ترانزیستوری پذیرفته است. در رایانش ترانزیستوری از فیزیک کلاسیک برای پردازش و انجام یک سری دستور و معادله از پیش تعیین شده استفاده می شود، به بیان دقیق تر رایانه ترانزیستوری یک سیستم بسته می باشد از یک سری قوانین از پیش تعیین شده برای اعمال گوناگون استفاده می شود. ساده تر این که در رایانه های ترانزیستوری نمی توان فراتر از یک حد مشخص شده رفت. اما در مقابل رایانش کوانتومی از فیزیک مکانیک کوانتوم بهره می برد که می تواند یک پدیده فیزیکی (یعنی یک مسئله جدید) را به صورت منحصر به فردی تجزیه و تحلیل کند، و با ساختاری که دارد یک پردازش چند میلیارد ساله در بستر ترانزیستور را در چند دقیقه انجام دهد!

اما نکته جالبی که وجود دارد این است که یک رایانه کوانتومی هم نمی تواند یک معادله غیر قابل حل در دستگاه رایانش ترانزیستوری را حل کند، البته شاید فعلا اینگونه است، چراکه رایانش کوانتوم به اندازه رایانش ترانزیستور تکامل نیافته و در واقع در آغاز راه خود است، این یکی دیگر از انقلاب هایی است که بشر امروز با آن رو به رو خواهد شد. در واقع طبق دانش امروز بشر، یک رایانه کوانتومی تنها سرعت بیشتر را به ارمغان می آورد، و تنها می تواند از محدودیت های توان و سرعت پردازشی ترانزیستوری فراتر رود، رایانش ترانزیستوری به نهایت رسیده و بیش از یک مقدار مشخص و به دست آمده را نمی تواند پردازش کند. در ابر رایانه های ترانزیستوری امروزی نیز این حقیقت وجود دارد، چراکه در ابر رایانه های امروزی تنها واحد های پردازش افزایش یافته است نه سرعت و ماهیت پردازش! فقط از ترانزیستور های بیشتری استفاده شده، نه از یک مفهوم و ماهیت جدید و اینکه در حال حاضر برای محاسبات فوق پیچیده، از ابر رایانه های و روش های تقسیم کار استفاده می شود، یعنی یک پردازش پیچیده بین چند سیستم تفسیم می شود که با این وجود نیز زمان بسیاری برای اینگونه محاسبات صرف می شود. در مقابل پردازش کوانتومی با یک ساختار جدید آمده تا کار میلیون ها ترانزیستور را در یک واحد پردازشی و در کسری از ثانیه انجام دهد، البته این واحد پردازشی چیز ساده ای محسوب نمی شود.

بگذریم. چند تفاوت اساسی بین یک کامپیوتر کوانتومی و ترانزیستوری وجود دارد. در کامپیتور های ترانزیستوری کوچک ترین واحد داده یک بیت معرفی شده که تنها می تواند یک مقدار ۱ یا ۰ را در بر داشته باشد، در واقع تکنولوژی در اختیار من و شما از همین بیت ها برای تعامل دیجیتال استفاده می کند و به بیانی دیگر، زبان گفتگوی سیستم های ترانزیستوری همین بیت های ۰ یا ۱ هستند. در رایانش کوانتومی نیز یک چنین مفهومی برای تعامل اطلاعات و طبقه بندی و نشان دادن آن ها نیاز است، بیت در رایانش کوانتومی، کیوبیت نام دارد (Qubit) و بر خلاف بیت های فعلی، می تواند هر دو حالت ۰ و ۱ را همزمان داشته و یا مثل بیت های امروزی، فقط ۰ یا ۱ باشد. در رایانش کوانتومی مفاهیمی بسیاری مانند اصل در هم تنیدگی وجود دارد که معنی آن استفاده از یک ساختار برای به دست آوردن دسته ای از ویژگی ها می باشد. در سامانه ای مرکب امکان دارد که یک جزء، ویژگی خاصی نداشته باشد، اما اگر این اجزا در هم تنیده باشند، می توان دسته ای از ویژگی ها را استخراج کرد. خلاصه این که یک واحد پردازشی کوانتومی، می تواند میلیون ها بار سریع تر از یک واحد پردازش ترانزیستوری باشد. از همین جهت ایده پردازش کوانتومی محققان را نگران ساخته است، زیرا بسیاری از الگوریتم های کد گذاری امروزی که شکست آن ها توسط پردازش های ترانزیستوری مستلزم صرف سالها زمان است، یعنی به اصطلاح نا شدنی است، با استفاده از پردازش کوانتومی به راحتی امکان پذیر خواهد بود! از این جهت دنیای فناوری اطلاعات در معرض یک خطر بسیار بزرگ است.

Liquid

موضوع مطلبمان الگوریتم هایی است که مایکروسافت برای ایجاد یک پلتفرم نرم افزاری و شبیه سازی در بستر پردازش کوانتومی ارایه داده است. غول های تکنولوژی مانند مایکروسافت و گوگل چند سالیست که در حال تحقیق در این زمینه هستند و مایکروسافت هم پس از ۳ سال تحقیق، اکنون شبیه ساز کوانتومی موسوم به (Language-Integrated Quantum Operations) یا (<|LIQUi) خود را ارایه داده است.

توضیحاتی در خصوص این شبیه ساز کوانتومی:

(<|LIQUi) یک نرم افزار و مجموعه ای از ابزار برای پیاده سازی در بستر رایانش کوانتومی است. این مجموعه نرم افزاری تازه توسعه داده شده و در ابتدای راه خود است و زبان های برنامه نویسی مخصوص به خود را خواهد داشت همچنین بهینه سازی ها و الگوریتم های برنامه ریزی و زمانبندی شده مخصوص به خود و همچنین شبیه ساز های کوانتومی را خواهد داشت. <|LIQUi نهایتا، الگوریتم های نوشته شده در برنامه های سطح بالا را برای ساختار و دستور العمل های سطح پایین ماشین، در یک دستگاه کوانتومی ترجمه خواهد کرد. <|LIQUi توسط گروه معماری و محاسبات کوانتوم کمپانی (QuArC) توسعه داده شده است.

(<|LIQUi) درواقع همان liquid است که کمپانی این شکل و شمایل خاص را به آن داده است. این پلتفرم نرم افزاری مخصوص رایانه های کوانتومی، دارای سه شبیه ساز زیر، در وبسایت GitHub است:

• یک شبیه ساز کامل حالت برداری برای رصد کردن جزئیات تکامل حالات کوانتومی
• یک شبیه ساز تثبیت کننده بر پایه CHP ((مختصر شده CNOT-Hadamard-Phase) که شبیه ساز های  تثبیت کننده مداری با کارایی بالا هستند)
• یک شبیه ساز کامل حالت برداری به شدت بهینه شده، برای هامیلتونی های فرمیونیک ((fermionic Hamiltonians) مشاهده پذیر هایی (ذرات) متناظر با انرژی کل سیستم که توسط آمار “فرمی دیاک” مشخص می شوند و از اصل “طرد پاولی” پیروی می کنند )

مایکروسافت Liquid را از طریق GitHub که یکی از مراجع برنامه نویس وابسته به مایکروسافت است، ارایه داده است. برای کسب اطلاعات بیشتر می توانید ازاین لینک استفاده کنید. همچنین برای مراجعه به Github در رابطه با Liquid می توانید از این لینک استفاده کنید.