رایانش کوانتومی توضیح داده شد: کوبیت‌ها چگونه کار می‌کنند و چرا اکنون مهم است

کامپیوتر کلاسیک اطلاعات را در بیت‌هایی ذخیره می‌کند که 0 یا 1 هستند، مانند سوئیچی که روشن یا خاموش است. کامپیوتر کوانتومی از کوبیت‌ها استفاده می‌کند، که می‌توانند 0، 1 یا ترکیب وزن‌دار از هردو را به‌طور همزمان نشان دهند، طبق شارح رسمی IBM درباره رایانش کوانتومی. این خاصیت، که هم‌پوشانی نام‌ دارد، یکی از دلایلی است که ماشین‌های کوانتومی می‌توانند پاسخ‌های احتمالی متعددی برای مسائل خاص را به‌طور همزمان بررسی کنند، به‌جای یک به یک.

فیزیک پشت دستگاه

IBM چهار اثر مکانیک کوانتومی را شناسایی می‌کند که رایانش کوانتومی را ممکن می‌سازد: هم‌پوشانی، درهم‌تنیدگی، تداخل و ازدست‌رفتن انسجام. درهم‌تنیدگی کوبیت‌ها را به‌گونه‌ای پیوند می‌دهد که اندازه‌گیری یکی اطلاعات درباره دیگری را آشکار می‌سازد، حتی وقتی دو کوبیت از لحاظ فیزیکی جدا هستند. تداخل به مدار کوانتومی اجازه می‌دهد تا پاسخ‌های درست را تقویت کند و پاسخ‌های اشتباه را لغو کند، به همان‌طور که موج‌های در‌هم‌تابیده می‌توانند یکدیگر را تقویت یا لغو کنند. ازدست‌رفتن انسجام اثر معکوس است - حالت‌های کوانتومی که در مقادیر کلاسیک معمولی فروپاشی می‌شوند - و این مانع اصلی است که مهندسان باید سرکوب کنند تا معالج کوانتومی مفید بماند، طبق IBM.

کوبیت‌ها می‌توانند از سیستم‌های فیزیکی مختلفی ساخته شوند، از جمله مدارهای فوق‌رسانا خنک‌شده نزدیک صفر مطلق، یون‌های محصور، نقاط کوانتومی و فوتون‌ها. معالج‌های کوانتومی IBM خود بر مدارهای فوق‌رسانا تکیه می‌زنند، چون می‌توانند با استفاده از تکنیک‌های ساخت تراشه موجود تولید و کنترل شوند، طبق IBM.

مزیت قابل‌تأیید: تراشه Willow گوجل

در 22 اکتبر 2025، گوجل اعلام کرد که معالج Willow با 105 کوبیت آنچه را که شرکت «اولین مزیت کوانتومی قابل‌تأیید» نام‌گذاری کرد، ارائه داد و از الگوریتم‌ی تحت‌عنوان Quantum Echoes استفاده کرد، طبق نوشتار رسمی گوجل. الگوریتم سیگنال را به مجموعه‌ای از کوبیت‌ها می‌فرستد، یکی را مختل می‌کند، سپس تکامل سیگنال را معکوس می‌کند تا برای بلندی «الصدا» تقویت‌شده ای گوش فرا دهد که توسط تداخل سازنده ایجاد شود.

گوجل گزارش داد که Quantum Echoes در Willow 13,000 بار سریع‌تر از بهترین الگوریتم کلاسیک معروف روی یکی از سریع‌ترین ابرکامپیوتر‌های جهان اجرا شد. شرکت تأکید کرد که برخلاف ادعای برتری کوانتومی سال 2019، این نتیجه «قابل‌تأیید» است - می‌تواند روی سخت‌افزار کوانتومی مشابه تکرار و بررسی‌شود، نه اینکه به یک کار نمونه‌برداری متکی باشد که راهی مستقل برای تأیید خروجی نیست.

با همکاری محققان دانشگاه کالیفرنیا برکلی، گوجل از الگوریتم برای مطالعه سیگنال‌های رزونانس مغناطیسی هسته‌ای (NMR) از مولکول‌هایی که حاوی 15 و 28 اتم بودند استفاده کرد، که به کاربردهای آینده‌ای در کشف دارو، مواد باتری و طراحی کوبیت‌های جدید اشاره دارد، طبق همان اعلام گوجل.

مسیر IBM از «سود» تا تحمل خرابی

IBM بین چندین مرحله پیشرفت تمایز قائل می‌شود. شرکت می‌گوید در سال 2023 به «سود کوانتومی» رسید، یعنی معالج‌های کوانتومی آن بر روش‌های تقریب کلاسیک در وظایف خاص برتری یافتند. IBM گفته است که انتظار دارد تا پایان سال 2026 به «برتری کوانتومی» برسد - برتری بر تمام روش‌های کلاسیک معروف در یک مسئله عملی، طبق بررسی رایانش کوانتومی خود IBM.

بیش از این، IBM نقشه راه را برای رایانش کوانتومی متحمل خرابی منتشر کرده است، جایی که خرابی‌ها شناسایی و تصحیح می‌شوند قبل از اینکه محاسبه را فاسد کنند. نقشه راه تراشه‌ای به نام Quantum Loon را توصیف می‌کند که در 2025 منتشر شد و اتصالیت کوبیت بهتر برای آزمایش‌های اثبات مفهوم به سمت کدهای qLDPC با نرخ بالا داشت، ماژول‌ی به نام Quantum Kookaburra برنامه‌ریزی‌شده برای 2026 که اطلاعات را با استفاده از حافظه بررسی‌کننده تکافل کم‌چگالی کوانتومی (qLDPC) ذخیره می‌کند، و سیستم‌ی به نام Starling برای سال 2029 که IBM می‌گوید باید 100 میلیون دروازه کوانتومی را روی 200 کوبیت منطقی اجرا کند. رویکرد تصحیح خرابی IBM از چیزی استفاده می‌کند که آن را «کدهای دوچرخه دو‌متغیر» می‌خواند، از جمله کد‌ی «[[144,12,12]] ناخالص» که شرکت می‌گوید تقریباً ده برابر کوبیت فیزیکی کمتر نیاز دارد تا روش‌های کد سطح قبلی برای دستیابی به همان حفاظت خرابی.

چرا رمزگذاری قبلاً دوباره نوشته می‌شود

کامپیوترهای کوانتومی خارج از آزمایشگاه مهم هستند زیرا الگوریتم Shor، روش ریاضی که Peter Shor در 1994 منتشر کرد، نشان می‌دهد که کامپیوتر کوانتومی به‌اندازه کافی قدرتمند می‌تواند اعداد بزرگ را تجزیه کند - و در نتیجه رمزگذاری سبک RSA که به طور گسترده استفاده می‌شود را بشکند - بسیار سریع‌تر از هر کامپیوتر کلاسیک، طبق یادآوری IBM.

این خطر برای هیأت‌های استاندارد فرضی نیست. در 13 اگست 2024، موسسه ملی استاندارد و فناوری آمریکا (NIST) سه استاندارد رمزگذاری ما‌بعد‌کوانتومی خود را نهایی کرد: FIPS 203 (ML-KEM) برای رمزگذاری عمومی، و FIPS 204 (ML-DSA) و FIPS 205 (SLH-DSA) برای امضاهای دیجیتالی، طبق اعلام رسمی NIST. Dustin Moody، ریاضی‌دان NIST، گفت سازمان‌ها باید «فوراً شروع به ادغام آن‌ها در سیستم‌های خود کنند، زیرا ادغام کامل زمان می‌برد».

آنچه کامپیوترهای کوانتومی نیستند

مواد IBM تأکید می‌کنند که کامپیوترهای کوانتومی ساده‌تر نسخه‌های سریع‌تر کامپیوترهای عادی نیستند؛ آن‌ها برای کلاس‌های خاصی از مسائل مناسب هستند - مانند شبیه‌سازی مولکول‌ها، واکنش‌های شیمیایی و برخی از وظایف بهینه‌سازی یا یادگیری ماشین - جایی که تعداد متغیرهای برهمکنش به‌حدی افزایش می‌یابد که کامپیوترهای کلاسیک نتوانند آن‌ها را به‌طور کارآمد دنبال کنند. برای وظایف روزمره مانند پردازش‌گر متن یا مرورگر وب، کامپیوترهای کلاسیک همچنان عملی‌تر هستند.