اخبار کوانتومی – رونمایی از Aurora: اولین کامپیوتر کوانتومی ماژولار، مقیاس‌پذیر و مبتنی بر شبکه

عنوان خبر: رونمایی از Aurora: اولین کامپیوتر کوانتومی ماژولار، مقیاس‌پذیر و مبتنی بر شبکه
ژانر/موضوع: محاسبات کوانتومی، کامپیوتر کوانتومی فوتونیکی

تاریخ انتشار خبر: 22 ژانویه 2025
لینک خبر: Xanadu.ai

چکیده: شب گذشته، Xanadu از ساخت اولین کامپیوتر کوانتومی مقیاس‌پذیر، شبکه‌ای و مدولار جهان خبر داد که شامل ۱۲ کیوبیت فیزیکی، ۳۵ تراشه فوتونیکی و ۱۳ کیلومتر فیبر نوری است و همگی در دمای اتاق عمل می‌کنند. Aurora با چهار رک سرور مستقل طراحی شده است که به صورت فوتونیکی به هم متصل هستند. ساخت این کامپیوتر گامی مهم به سوی تحقق رویای یک مرکز داده کوانتومی با هزاران رک سرور و میلیون‌ها کیوبیت است.

موفقیت Aurora، یکی از چالش‌های اصلی در محاسبات کوانتومی، یعنی مقیاس‌پذیری، را حل کرده است. ترکیب این سیستم با فناوری‌های پیشرفته‌ای قبلی Xanadu شامل پلتفرم‌های X8 و Borealis، کارایی رویکرد ماژولار در سخت‌افزار کوانتومی را نشان می‌دهد. استفاده از تراشه‌های تجاری و نیاز بسیار کم به سردسازی، Aurora را به راه‌حلی امیدوارکننده برای آینده محاسبات کوانتومی فوتونیکی تبدیل می‌کند.

شرح کامل خبر:

شب گذشته، شرکت Xanadu، یکی از پیشگامان محاسبات کوانتومی، از Aurora، اولین کامپیوتر کوانتومی مقیاس‌پذیر، شبکه‌ای و ماژولار جهان، رونمایی کرد. این دستگاه 12 کیوبیتی، که از چهار رک سرور مستقل و به صورت ماژولار ساخته شده است، یک نقطه عطف مهم در مسیر دستیابی به محاسبات کوانتومی مقیاس‌پذیر و کاربردی محسوب می‌شود. Aurora شامل 35 تراشه فوتونیک و 13 کیلومتر فیبر نوری است که تمام آن‌ها در دمای اتاق کار می‌کنند، که این دستاوردی چشمگیر است؛ زیرا معمولاً برای دستگاه‌های کوانتومی به شرایط دمایی بسیار خاصی نیاز است.

طراحی Aurora بر معماری فوتونیکی استوار است که به طور ذاتی برای مقیاس‌پذیری و شبکه‌سازی مناسب‌تر از دیگر رویکردهای محاسبات کوانتومی است. ساختار ماژولار این دستگاه به این معنی است که هر یک از رک‌های سرور آن می‌توانند به‌طور مستقل عمل کنند و در عین حال به‌طور فوتونیکی به هم متصل شده‌اند تا یک کامپیوتر کوانتومی شبکه‌ای بزرگ‌تر را تشکیل دهند. بدین ترتیب، دستاورد Xanadu نه تنها چالش مقیاس‌پذیری را حل می‌کند، بلکه چشم‌انداز ایجاد یک مرکز داده کوانتومی کاملاً عملیاتی را به واقعیت نزدیک‌تر می‌سازد. این توسعه که در مقاله‌ای جدید در Nature شرح داده شده است، مسیر آینده‌ای را فراهم می‌کند که در آن کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند به مقیاس هزاران رک سرور و میلیون‌ها کیوبیت دست پیدا کنند و به تحول در صنایعی که به قدرت محاسباتی عظیم نیاز دارند، کمک کنند.

ساخت بر اساس دستاوردهای قبلی: معماری ماژولار کوانتومی

Aurora بر اساس پیشرفت‌های قبلی Xanadu، مانند سیستم‌های X8 و Borealis ساخته شده است. این سیستم‌های پیشین اثربخشی محاسبات کوانتومی فوتونیکی را نشان دادند و پایه‌گذار معماری پیشرفته‌تر Aurora شدند. رویکرد ماژولاری که در Aurora استفاده شده است، اطمینان می‌دهد که فرآیندهای اصلاح خطا، عملیات گیت کوانتومی و فرآیندهای واقعی رمزگشایی—که از جنبه‌های کلیدی محاسبات کوانتومی جهان‌شمول هستند—می‌توانند با دقت بالا انجام شوند. تصمیم Xanadu برای استفاده از اجزای ماژولار در یک چارچوب فوتونیکی متصل به هم، یک مزیت حیاتی در دستیابی به محاسبات کوانتومی مقاوم به خطاست؛ چرا که ماژولار بودن مسیری واضح برای مقیاس‌پذیری بدون از دست دادن عملکرد فراهم می‌آورد.

شرکت Xanadu با ادغام تراشه‌های فوتونیکی کوانتومی و استفاده از تکنیک‌های استاندارد ساخت تراشه تجاری، نشان داده است که مقیاس‌پذیری محاسبات کوانتومی نه تنها ممکن است بلکه می‌توان آن را با استفاده از مواد و ابزارهای استاندارد صنعتی تحقق بخشید. علاوه بر این، توانایی کار کردن در دمای اتاق پیچیدگی‌ها و هزینه‌های مرتبط با نگهداری سخت‌افزار کوانتومی را کاهش می‌دهد و Aurora را به گزینه‌ای جذاب برای کاربردهای آینده محاسبات کوانتومی تبدیل می‌کند.

دستاوردهای فنی کلیدی: شبکه‌سازی و مقیاس

یکی از چالش‌های اصلی در محاسبات کوانتومی، دستیابی به ماشین‌های کوانتومی شبکه‌ای با مقیاس بزرگ است که بتوانند میلیون‌ها کیوبیت را با کمترین نرخ خطا پردازش کنند. Aurora این چالش را از طریق معماری ماژولار خود حل می‌کند که فرآیند شبکه‌سازی تعداد نامحدودی از ماژول‌های کوانتومی را امکان‌پذیر می‌سازد. انعطاف‌پذیری در شبکه‌سازی این ماژول‌ها برای تلاش‌های مقیاس‌پذیری آینده حیاتی است و به محققان این امکان را می‌دهد که تعداد هرچه بیشتری از واحدهای کوانتومی را به‌طور یکپارچه به هم متصل کنند. تصمیم Xanadu برای استفاده از اجزای متصل فوتونیکی به‌این‌علت است که سیستم‌های فوتونیکی روش مناسبی هم برای محاسبه و هم شبکه‌سازی سیستم‌های کوانتومی هستند. برخلاف دیگر مدل‌های محاسبات کوانتومی مانند کیوبیت‌های ابررسانا یا یون‌های به‎دام‌افتاده، سیستم‌های فوتونیکی مانند Aurora می‌توانند با افزودن ماژول‌های اضافی به شبکه، به‌راحتی مقیاس پیدا کنند بدون اینکه نیاز به تغییرات اساسی در طراحی اصلی داشته باشند. استفاده از فوتونیک برای شبکه‌سازی همچنین اجازه می‌دهد تا ارتباطات با سرعت بالا بین واحدهای کوانتومی برقرار شود که به انتقال سریع اطلاعات کوانتومی در سراسر سیستم کمک می‌کند.

سیستم Aurora و ماژول‌های اصلی آن: اجزای سازندهٔ رایانش کوانتومی فوتونیکی

کامپیوتر کوانتومی Aurora، از پنج ماژول اصلی تشکیل شده است که هر یک نقش حیاتی در عملکرد و مقیاس‌پذیری این سیستم ایفا می‌کنند

1. زیرسیستم منابع: این زیرسیستم شامل ۲۴ تراشهٔ مدار مجتمع فوتونیکی (PIC) است که هر یک با استفاده از رزوناتورهای نوری، حالت‌های فشردهٔ نور را تولید می‌کنند. این حالت‌ها برای رمزگذاری اطلاعات کوانتومی ضروری هستند. علاوه بر این، ۳۶ آشکارساز شمارش فوتون (PNR) در این زیرسیستم وجود دارد که ایجاد حالت‌های غیرگاوسی را تأیید می‌کنند.
   
2. آرایهٔ پالایش: پس از تولید حالت‌ها، آرایهٔ پالایش (تصفیه) آن‌ها را برای تشکیل جفت‌های درهم‌تنیده پردازش می‌کند که برای ساختن حالت کلاستری (خوشه‌ای) ضروری است. این آرایه شامل شش تراشهٔ پالایشگر نازک از جنس لیتیم نایوبیت است که هر یک بهترین جفت‌های ورودی را بر اساس بازخورد آشکارسازهای PNR انتخاب می‌کنند. این فرآیند به سنتز جفت‌های بل درهم‌تنیده کمک می‌کند.
   
3. خطوط تأخیر فیبری (بافرینگ): برای اطمینان از زمان‌بندی دقیق و همگام‌سازی در سراسر سیستم، Aurora از
   ماژول‌های خطی تأخیر فیبری استفاده می‌کند. این خطوط تأخیر، حالت‌های نوری را بافر می‌کنند تا زمان لازم برای اعلام سیگنال‌های آشکارسازی PNR را فراهم کرده و زمان‌بندی فوتون‌ها را در مراحل بعدی هماهنگ کنند.
   
4. واحدهای پردازش کوانتومی (QPU): قابلیت‌های محاسباتی Aurora از طریق آرایه‌ای از پنج تراشهٔ QPU پیاده‌سازی‌شده بر روی PICهای سیلیکونی محقق می‌شود. این QPUها در هر چرخه، اندازه‌گیری هموداین را بر روی ۱۲ حالت عملیاتی انجام می‌دهند و به‌طور مؤثر جفت‌های درهم‌تنیده را به یک حالت خوشه‌ای فضازمانی متصل می‌کنند.
   
5. سیستم رمزگشایی بلادرنگ: آرورا به یک سیستم رمزگشایی بلادرنگ مجهز است که نتایج اندازه‌گیری‌های QPU را پردازش می‌کند. این سیستم، پیاده‌سازی‌شده بر روی یک FPGA، وظیفهٔ تصحیح خطا و ارائهٔ بازخورد به QPUها را بر عهده دارد تا پایه‌های اندازه‌گیری در چرخه‌های بعدی را بر اساس نتایج قبلی تنظیم کند. این فرآیند تصحیح خطا و بازخورد بلادرنگ برای حفظ انسجام و دقت محاسبات کوانتومی ضروری است.

غلبه بر از اتلاف نوری: چالش بعدی در محاسبات کوانتومی

با وجود پیشرفت‌های چشمگیری که Aurora به‌دست آورده است، چالش‌هایی در بهبود عملکرد سیستم‌های فوتونیک کوانتومی باقی مانده‌اند، به‌ویژه در کاهش از اتلاف نوری. همان‌طور که در مقاله Nature  ذکر شده است، تیم Xanadu از اتلاف نوری را در معماری Aurora کمی‌سازی کرده و اهمیت طراحی تراشه و ساخت آن را در کاهش این اتلاف مورد تأکید قرار داده است. اتلاف نوری—که در آن سیگنال‌های نوری هنگام عبور از مدارهای کوانتومی تضعیف می‌شوند—می‌تواند کارایی و عملکرد محاسبات کوانتومی را محدود کند. برای حل این مشکل، Xanadu در حال تمرکز بر بهینه‌سازی طراحی تراشه‌های کوانتومی خود است و در این راستا با شرکای خود در کارخانه‌های تولید همکاری می‌کند تا به نرخ‌های اتلاف کمتری دست یابد.

با حل مشکل اتلاف نوری، Aurora یک گام مهم به سوی دستیابی به محاسبات کوانتومی مقاوم به خطا خواهد بود. توانایی کاهش اتلاف نوری مستقیماً بر نرخ خطاها تأثیر خواهد گذاشت و صنعت کوانتومی را به ساخت کامپیوترهای کوانتومی کاملاً قابل اعتماد نزدیک‌تر می‌کند. در حالی که اصلاح خطا و مقاوم بودن در برابر خطا همچنان چالش‌های بزرگی باقی مانده‌اند، موفقیت Xanadu در مقیاس‌پذیری و شبکه‌سازی ماژول‌های کوانتومی نمایانگر گامی حیاتی به سوی غلبه بر این موانع است.

قابلیت تجاری: یک دوران جدید در محاسبات کوانتومی

علاوه بر دستاوردهای فنی، طراحی Aurora قابلیت تجاری زیادی نیز دارد. استفاده از تراشه‌های تجاری موجود و نیاز کم‌تر به سردسازی، آن را به گزینه‌ای جذاب برای کاربردهای واقعی محاسبات کوانتومی تبدیل می‌کند. سیستم‌های کوانتومی معمولاً به سرمایش شدید نیاز دارند تا هم‌پوشانی کیوبیت‌ها را حفظ کنند، اما عملکرد Aurora در دمای اتاق این امکان را فراهم می‌آورد که کامپیوترهای کوانتومی به‌طور مؤثرتر و با هزینه‌های کمتری نگهداری شوند. همچنین، استفاده از تکنیک‌های ساخت استاندارد صنعتی در این سیستم، موانع ورودی را برای بازیگران جدید در عرصه محاسبات کوانتومی کاهش می‌دهد و به‌طور بالقوه فرآیند تجاری‌سازی تکنولوژی‌های کوانتومی را تسریع می‌کند.

رویکرد ماژولاری Xanadu همچنین نشان می‌دهد که محاسبات کوانتومی می‌تواند به‌سرعت به کاربردهای گسترده در صنایعی مانند داروسازی، علم مواد و رمزنگاری نزدیک شود. با ادامه اصلاح عملکرد Aurora، از جمله حل مشکل اتلاف نوری و بهبود مقیاس‌پذیری، آینده روشنی برای استقرار سیستم‌های کوانتومی در دنیای واقعی پیش‌بینی می‌شود.

منابع:

[1] https://www.xanadu.ai/press/xanadu-introduces-aurora-worlds-first-scalable-networked-and-modular-quantum-computer

[2] Aghaee Rad, H., Ainsworth, T., Alexander, R.N. et al. Scaling and networking a modular photonic quantum computer. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08406-9

دیدگاه خود را درباره این خبر با ما به اشتراک بگذارید.