اخبار کوانتومی -رویکرد کوانتومی ترکیبی می‌تواند به فضانوردان در ماموریت‌های فضایی عمیق کمک کند
عنوان خبر: رویکرد کوانتومی ترکیبی می‌تواند به فضانوردان در ماموریت‌های فضایی عمیق کمک کند
ژانر/موضوع: محاسبات کوانتومی، بهینه‌سازی کوانتومی
تاریخ انتشار خبر: 27 فوریه 2025
لینک خبر: The Quantum Insider
چکیده:
یک مطالعه جدید چارچوب محاسبات هیبریدی کوانتومی-کلاسیک را برای بهبود عملیات مأموریت‌های فضایی پیشنهاد میکند که با ادغام حسگرها، پردازنده‌ها و سیستم‌های ارتباطی کوانتومی با فناوری‌های سنتی فضاپیماها انجام میشود. این مدل محدودیت‌های سخت‌افزاری کوانتومی مانند نویز و زمان‌های کوتاه عمر کیوبیت‌ها را با ترکیب محاسبات کلاسیک برای وظایف روتین و سیستم‌های کوانتومی برای بهینه‌سازی‌های پیچیده، مانند برنامه‌ریزی ماهواره‌ها، برطرف میکند.در این مطالعه، الگوریتم بهینه‌سازی تقریبی کوانتومی (QAOA) برای برنامه‌ریزی وظایف، با استفاده از شبیه‌ساز Qiskit از IBM اجرا شد و دریافته شد که این الگوریتم در مقایسه با روش‌های کلاسیک بهتر عمل میکند، اگرچه زمان محاسباتی طولانی‌تری نیاز دارد. این چارچوب هیبریدی پتانسیل بهبود عملیات ماهواره‌ها را نشان میدهد، اما چالش‌هایی مانند قابلیت اطمینان سخت‌افزار، تاب‌آوری محیطی و ادغام سیستم باقی‌مانده است.
شرح کامل خبر:
یک مطالعه جدید که به‌تازگی منتشر شده است، چارچوبی هیبریدی از محاسبات کوانتومی-کلاسیک را برای بهبود عملیات مأموریت‌های فضایی پیشنهاد میدهد که فناوری‌های نوظهور کوانتومی را با سیستم‌های سنتی فضاپیماها ادغام میکند. این مدل با ترکیب پردازنده‌ها و حسگرهای کوانتومی با ماژول‌های محاسباتی کلاسیک، محدودیت‌های سخت‌افزاری فعلی کوانتومی مانند نویز، عمر کوتاه کیوبیت‌ها و نرخ خطای بالا را برطرف میکند. این رویکرد به فضاپیماها این امکان را میدهد که از مزایای کوانتومی بهره‌برداری کنند بدون اینکه کاملاً به سخت‌افزار کوانتومی نابالغ متکی باشند و به بهینه‌سازی بهتر وظایف پیچیده‌ای مانند برنامه‌ریزی ماهواره‌ها بپردازند.
این مطالعه، بر ادغام حسگرها، پردازنده‌ها و اجزای ارتباطی کوانتومی با سیستم‌های سنتی فضاپیماها تأکید دارد. با ترکیب محاسبات کلاسیک برای پیش‌پردازش داده‌ها و محاسبات کوانتومی برای وظایف بهینه‌سازی سطح بالا، این چارچوب به دنبال پاسخ به پیچیدگی‌های روزافزون مأموریت‌های فضایی مانند هماهنگی ماهواره‌ها، کاوش سیاره‌ای و تصمیم‌گیری به طور آنی است. این رویکرد هیبریدی راهی برای ادغام تدریجی فناوری‌های کوانتومی در مأموریت‌های فضایی فراهم می‌آورد و وظایفی مانند ناوبری خودکار و اندازه‌گیری‌های دقیق با استفاده از حسگرهای کوانتومی را تسهیل میکند.
نویسندگان این مطالعه، M.W. Geda از دانشگاه پلی‌تکنیک هنگ کنگ و Yuk Ming Tang از دانشگاه فناوری علوم گوانگ‌دونگ، پتانسیل این چارچوب را از طریق یک مطالعه موردی (case study) بر روی برنامه‌ریزی وظایف تصویربرداری ماهواره‌ای نشان دادند. با استفاده از شبیه‌ساز کوانتومی Qiskit شرکت IBM، آن‌ها الگوریتم بهینه‌سازی تقریبی کوانتومی (QAOA) را برای بهینه‌سازی برنامه‌ریزی وظایف پیاده‌سازی کردند و دریافتند که این الگوریتم در اولویت‌بندی وظایف با ارزش بالا، بهتر از الگوریتم کلاسیک گریدی عمل میکند، هرچند که زمان محاسباتی بیشتری نیاز دارد. این نشان‌دهنده توانایی ادغام کوانتومی-کلاسیک برای مقابله با سناریوهای پیچیده‌تر برنامه‌ریزی است که الگوریتم‌های سنتی قادر به انجام آن نیستند.
محاسبات کوانتومی با پتانسیل حل مشکلات بهینه‌سازی مقیاس بزرگ، مزایای قابل توجهی نسبت به محاسبات کلاسیک ارائه میدهد، به‌ویژه در حوزه‌هایی که نیاز به تصمیم‌گیری پیچیده مانند برنامه‌ریزی ماهواره‌ها وجود دارد. برخلاف سیستم‌های کلاسیک، رایانه‌های کوانتومی از اصول برهم‌نهی و درهم‌تنیدگی برای ارزیابی چندین راه‌حل به‌طور همزمان استفاده می‌کنند، که آن‌ها را برای مسائل بهینه‌سازی ایده‌آل می‌سازد. با این حال، سخت‌افزار کوانتومی فعلی هنوز در دوره کوانتومی با مقیاس متوسط نویز (NISQ) قرار دارد، به این معنی که پردازنده‌های کوانتومی از نظر مقیاس و دقت محدود هستند. به این ترتیب، راه‌حل کاملاً کوانتومی برای مأموریت‌های فضایی هنوز عملی نیست، اما مدل‌های هیبریدی راه‌حلی قابل قبول برای ادغام قابلیت‌های کوانتومی در سیستم‌های موجود فراهم می‌آورد.
چارچوب هیبریدی از سه جزء کلیدی تشکیل شده است: حسگرها و پردازنده‌های کوانتومی برای داده‌های دقیق و وظایف بهینه‌سازی، ماژول‌های محاسباتی کلاسیک برای انجام وظایف روتین و تفسیر داده‌ها، و رابط‌های یکپارچه‌سازی برای اطمینان از ارتباط روان بین این دو سیستم. این امر به فضاپیماها این امکان را میدهد که به تدریج فناوری‌های کوانتومی را به کار گیرند و مشکلات پیچیده را بدون انتظار برای سخت‌افزار کوانتومی کاملاً کاربردی حل کنند.
در حالی که نتایج امیدوارکننده است، این مطالعه همچنین چالش‌هایی را در پیاده‌سازی سیستم‌های کوانتومی-کلاسیک برای کاربردهای فضایی برجسته میکند. موانع اصلی شامل قابلیت اطمینان سخت‌افزار، تاب‌آوری محیطی (مانند تابش، نوسانات دما) و یکپارچگی سیستم است. پردازنده‌های کوانتومی به دلیل پدیده هایی نظیر ناهمدوسی به خطا می‌روند و سخت‌افزار کوانتومی باید بیشتر توسعه یابد تا قادر به مقابله با محیط‌های دشوار فضایی باشد. علاوه بر این، ادغام سیستم‌های کوانتومی و کلاسیک نیاز به الگوریتم‌های پیچیده‌ای دارد تا جریان داده‌ها به‌طور روان انجام شود، که برای استقرار مؤثر این سیستم‌ها در مأموریت‌های فضایی ضروری است.
محققان پیشنهاد می‌کنند که تحقیقات آینده باید بر آزمایش مدل‌های هیبریدی با استفاده از داده‌های واقعی ماهواره‌ای، بهینه‌سازی الگوریتم‌های کوانتومی برای بهبود کارایی زمان اجرا، و ادغام سخت‌افزار کوانتومی در مأموریت‌های فضایی آزمایشی برای ارزیابی عملکرد در شرایط واقعی فضا متمرکز شود. با غلبه بر این چالش‌ها، مدل هیبریدی کوانتومی-کلاسیک می‌تواند به جزء کلیدی مأموریت‌های فضایی آینده تبدیل شود و قابلیت‌های جدیدی در زمینه‌های برنامه‌ریزی ماهواره‌ای، ناوبری، تصمیم‌گیری خودران و ارتباطات ایمن ارائه دهد.
این مدل هیبریدی همچنین پیامدهای گسترده‌تری برای کاوش فضایی دارد. حسگرهای کوانتومی می‌توانند اندازه‌گیری‌های بسیار دقیقی برای میدان‌های گرانشی، سطوح سیاره‌ها و موقعیت‌یابی فضاپیماها فراهم کنند، در حالی که رمزگذاری کوانتومی می‌تواند امنیت سایبری در ارتباطات فضا-زمین را تقویت کند. سازمان‌هایی مانند ناسا و آژانس فضایی اروپا در حال بررسی فناوری‌های کوانتومی برای کاربردهای فضایی هستند و با پیشرفت تحقیقات، سیستم‌های هیبریدی می‌توانند به‌عنوان گام‌هایی به‌سوی مأموریت‌های فضایی کاملاً کوانتومی عمل کنند.
منابع:
[1] https://thequantuminsider.com/2025/02/27/hybrid-quantum-approach-could-help-astronauts-on-deep-space-missions/
[2] https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2452414X25000275?via%3Dihub
دیدگاه خود را درباره این خبر با ما به اشتراک بگذارید.
