وبینارهای سایکت

در وبینار قبلی درباره یادگیری ماشین کوانتومی صحبت کردیم؛ حوزه‌ای نوظهور که در سال‌های اخیر توجه زیادی را به خود جلب کرده است. از یک طرف، علاقه به فناوری‌های کوانتومی در حال افزایش است و این فناوری‌ها کم‌کم از فضای صرفا علمی فاصله می‌گیرند و به سمت کاربردهای عملی حرکت می‌کنند. از طرف دیگر، یادگیری ماشین و هوش مصنوعی به یکی از مهم‌ترین فناوری‌های آینده تبدیل شده‌اند و بسیاری از شرکت‌ها برای رقابتی ماندن، به سرمایه‌گذاری در این حوزه نیاز دارند. ترکیب این دو حوزه، یعنی کوانتوم و یادگیری ماشین، باعث شده یادگیری ماشین کوانتومی در صنعت IT مورد توجه قرار بگیرد؛ هرچند این توجه همیشه با چالش‌های علمی و پژوهشی این حوزه هم‌مسیر نیست. در این سخنرانی، ادامه مباحث وبینار قبلی را دنبال می‌کنیم و بررسی می‌کنیم که یادگیری ماشین کوانتومی در این سال‌ها چه مسیری را طی کرده است؛ کدام روش‌ها کمتر مورد توجه قرار گرفته‌اند و کدام رویکردها بیشتر جدی گرفته شده‌اند. همچنین دوباره مقایسه‌ای میان یادگیری ماشین کلاسیک و کوانتومی خواهیم داشت و چشم‌انداز ورود یادگیری ماشین کوانتومی به صنعت را بررسی می‌کنیم.

کامپیوتر کوانتومی بستری است برای اجرای الگوریتم‌های کوانتومی که در حل برخی مسائل، برتری چشمگیری نسبت به روش‌های محاسبات کلاسیک دارند. در میان بسترهای مختلف پیشنهادی، فناوری فوتونیک به دلیل قابلیت همگرایی با سامانه‌های ارتباطی و حسگری کوانتومی، به عنوان مسیری راهبردی برای دستیابی به پردازنده‌های کوانتومی جهان‌شمول شناخته می‌شود. در حوزه‌ی محاسبات کوانتومی فوتونیکی، دو رویکرد نویدبخش مورد توجه قرار گرفته‌اند: رویکرد متغیرهای پیوسته که بر پایه‌ی مدل محاسباتی مبتنی بر اندازه‌گیری عمل می‌کند، و رویکرد تک‌فوتونی که از مدل محاسباتی مبتنی بر همجوشی بهره می‌برد. در این سخنرانی، اصول فیزیکی و محاسباتی هر یک از این رویکردها، به همراه نقاط قوت، چالش‌های پیاده‌سازی و قابلیت مقیاس‌پذیری آن‌ها در بسترهای فوتونیکی مورد بررسی قرار می‌گیرد. هدف از این ارائه، ارائه‌ی نگاهی جامع به مسیرهای گوناگون توسعه‌ی سامانه‌های محاسبات کوانتومی فوتونیکی و تبیین چشم‌اندازهای آینده‌ی این فناوری است.

استاد این وبینار توسط جناب آقای دکتر ابوالحسن واعظی،  دکتری فیزیک دانشگاه ام‌آی‌تی و برنده جایزه‌ تحصیلی وایتمن، استاد و عضو هیئت علمی دانشکده فیزیک دانشگاه صنعتی شریف و پژوهشگر در دانشگاه استنفورد آمریکا، برنده جایزه پژوهشی دانشگاه کورنل و استنفورد آمریکا و پژوهشگر برتر کشور سال ۱۴۰۰ارائه می‌شود. با ما همراه باشید و این وبینار جذاب را از دست ندهید.

ترمودینامیک کوانتومی به مطالعه قوانین بنیادین ترمودینامیک در مقیاس‌های کوانتومی می‌پردازد؛ جایی که اثرات کوانتومی در جریان انرژی و تبدیل آن نقش تعیین‌کننده دارند. در این حوزه، خنک‌سازهای کوانتومی جایگزین سامانه‌های کلاسیکی شده‌اند و فرآیندهای تبادل گرما میان اجزای مختلف، بدون وجود اجزای مکانیکی ماکروسکوپی، از طریق جریان شبه‌ذراتی همچون الکترون‌ها، فوتون‌ها و فونون‌ها انجام می‌شود. پیشرفت‌های اخیر در فناوری‌های کوانتومی حالت جامد موجب افزایش علاقه به طراحی و کنترل جریان‌های حرارتی در این سامانه‌ها، به‌ویژه در دماهای بسیار پایین، شده است. در این سخنرانی ابتدا مروری کوتاه بر قوانین ترمودینامیک در سامانه‌های کوانتومی ارائه خواهد شد. سپس برخی پیاده‌سازی‌های خنک‌سازهای کوانتومی در سامانه‌های ابررسانای هیبریدی معرفی می‌شوند. در پایان، به عنوان یک کاربرد عملی، به امکان استفاده از این روش‌ها برای خنک‌سازی کیوبیت ابررسانای توپولوژیکی از نوع 0−π پرداخته خواهد شد.

کامپیوترهای کوانتومی فوتونیکی کامپیوترهای کوانتومی تک-منظوره ای هستند که به تازگی مورد توجه برخی از شرکت های نوپا در جهان قرار گرفته اند. این کامپیوترها قادر به حل یک مساله ای بسیار سخت هستند، که باور عمومی محققان بر آن است که حل آن مساله از دسترس کامپیوترهای کلاسیک به دور می باشد. رایانش با چنین کامپیوترهایی، متفاوت از رایانش با کامپیوترهای کوانتومی همه-منظوره و برنامه پذیر است. در این ارائه ابتدا بطور مفصل به اساس رایانش با کامپیوترهای کوانتومی فوتونیکی می پردازیم، و سپس به طور اجمالی به وضعیت سخت افزارهای موجود کامپیوترهای کوانتومی فوتونیکی در جهان اشاره می کنیم. در انتهای ارزش سرمایه گذاری بر روی چنین کامپیوترهای کوانتومی را برای کشور ایران بررسی می کنیم.

در این ارائه، پس از بیان مبانی کامپیوترهای کوانتومی بر روی کامپیوترهای کوانتومی ابررسانایی متمرکز می شویم. ابتدا، اصول و عناصر اصلی الکترودینامیک کوانتومی مدار (cQED) را به عنوان پایه فهم فناوری کامپیوترهای کوانتومی ابررسانایی معرفی می کنیم. سپس، به مفهوم موجبرهای تشدیدگری و اتم‌های مصنوعی که سنگ بنای cQED هستند، پرداخته و نشان می‌دهیم چگونه این سازه‌ها می‌توانند رفتار کوانتومی از خود نشان دهند و محاسبات کوانتومی و پردازش اطلاعات را متحول کنند. همچنین، cQED را با با الکترودینامیک کوانتومی کاواک (CQED) مقایسه و مزایای آن را برجسته می کنیم. در ادامه، به بررسی کامپیوترهای کوانتومی ابررسانایی می‌پردازیم. این بستر امکان مهندسی کیوبیت‌ها با تغییر هندسه و توپولوژی مدارهای ابررسانایی و سهولت کنترل، خوانش و تنظیم‌پذیری آنها را فراهم می‌سازد. پس از معرفی مقدمات محاسبات کوانتومی گیت‌محور، به بررسی لایه کوانتومی و تصدیق ملاک‌های دیوینچنزو در بستر کامپیوترهای کوانتومی ابررسانایی پرداخته و انواع کیوبیت‌های ابررسانایی، روش‌های اعمال گیت تک و دو کیوبیتی و خوانش آنها را معرفی می‌کنیم. با پیگیری این ارائه، درک جامعی از کیوبیت‌های ابررسانایی و ایده‌های اصلی در کنترل و خوانش آنها به دست خواهید آورد.

براساس قوانین مکانیک کوانتومی، رایانه‌های کوانتومی در آینده به طرز چشمگیری بهتر از همتایان معمولی کلاسیک خود عمل خواهند کرد. با وجود این، رایانه‌های کوانتومی جهانی در مقیاس بزرگ هنوز ساخته نشده‌اند. نمونه‌برداری بوزونی (boson sampling) که بر مبنای شبکه اپتیکی خطی طراحی شده، به عنوان راهی سریع برای نشان دادن برتری کوانتومی مورد توجه قرار گرفته است. در حالی‌که شبیه‌ سازی کارآمد نمونه‌برداری بوزونی بدون نوفه با استفاده از یک رایانه کلاسیک مسئله‌ایی سخت است، آزمایش‌های نمونه‌برداری بوزونی کنونی همراه با اتلاف و نوفه می‌باشند. الگوریتم‌های کلاسیکی برای شبیه سازی آزمایش‌های نمونه‌برداری بوزونی گاوسی ارائه شده‌‌اند که پیچیدگی نمونه‌برداری می‌تواند به طرز قابل توجهی با افزایش نرخ اتلاف فوتون کاهش یابد و با شبیه سازی توزیع حقیقی-پایه، ادعاهای برتری کوانتومی تجربی را به چالش بکشند.

کد های کوانتومی توپوژیکی به دلیل استحکام ذاتی نسبت به اختلالات موضعی، از اهمیت ویژه ای در رایانش کوانتومی برخوردار هستند و پژوهش های متعددی درباره میزان استحکام این کد ها و نیز آستانه تحمل خطا در چنین کدهایی در جریان است. از طرف دیگر اخیرا و بر اساس مطالعات صورت گرفته بر رایانه های کوانتومی فعلی، نشان داده شده است که نویز های موجود در آزمایشگاه بر خلاف انتظار نا متقارن هستند. خوشبختانه تحقیقات اخیر نشان می دهد که با یک تغییرات ساده در کدهای توپولوژیکی، می توان از این عدم تقارن به منظور بالا بردن تحمل خطا استفاده کرد. در این سخنرانی به طور اجمالی این ایده را مطرح خواهیم کرد.

توسعه فناوری کوانتوم تا کنون امیدهای زیادی را برای بازارهای هدف متفاوت به وجود آورده است. گاهی اوقات رویکرد و موتور محرک این فناوری کارکردهای ویژه و گاهی آینده پول‌ساز آن ارزیابی می‌شود. این ارائه با پیشنهاد یک زیست بوم ترکیبی، نقش و تاثیر فناورس کوانتومی در توسعه فناوری کشور را ارزیابی میکند.