عبور از بنبست محاسباتی با فناوری فراتر از کوانتوم
پژوهشگران دانشگاه کویینز کانادا موفق به ساخت نوعی رایانه نوین شدهاند که نه کلاسیک است و نه کوانتومی بلکه با استفاده از نور میتواند مسائل محاسباتی بسیار پیچیده را حل کند. این سامانه که از قطعات معمولی شبکه اینترنت ساخته شده قادر است ساعتها بدون ناپایداری کار کند و با مسائلی روبهرو شود که حتی ابررایانهها و رایانههای کوانتومی نیز در برابر آنها ناتواناند.
به گزارش interestingengineering، برای دههها راهحل مقابله با مسائل سخت محاسباتی ساخت رایانههای بزرگتر و سریعتر بوده است، اما پژوهشگران معتقدند مشکل بسیاری از این مسائل نه پیچیدگی ذاتی بلکه تعداد بسیار زیاد پاسخهای ممکن است؛ بهگونهای که بررسی همه گزینهها عملا غیرممکن میشود. این چالش در حوزههایی مانند طراحی دارو، رمزنگاری، بهینهسازی زنجیره تامین و مسیریابی نمود پررنگی دارد.
در همین راستا محققان دانشگاه کویینز نوعی ماشین ایزینگ مبتنی بر نور طراحی کردهاند که با تکیه بر اصول فیزیک راه میانبری برای حل این مسائل فراهم میکند. به گفته نویسندگان مقاله آنها موفق به معرفی یک نوسانساز اپتوالکترونیکی مبتنی بر ماشین ایزینگ، پایدار، قابل برنامهریزی و قابلکار در دمای اتاق شدهاند.
ماشین ایزینگ نوعی رایانه تخصصی است که برای حل مسائل بهینهسازی طراحی شده؛ مسائلی که هدف آنها یافتن بهترین پاسخ از میان تعداد عظیمی از گزینههاست. این مسائل با افزایش اندازه بهصورت نمایی پیچیدهتر میشوند؛ تا جایی که حتی سریعترین سامانههای محاسباتی نیز از حل آنها بازمیمانند.
بهعنوان نمونه برنامهریزی مسیرهای تحویل برای یک شرکت بزرگ لجستیکی را در نظر بگیرید. با پنج توقف تنها ۱۲ مسیر ممکن وجود دارد، اما با ۱۰ توقف این عدد به ۱۸۰ هزار مسیر میرسد. با ۲۰ توقف تعداد گزینهها از ۶۰ میلیون میلیارد فراتر میرود و با ۵۰ توقف بررسی همه حالتها بیش از عمر جهان زمان میبرد. به گفته باوین شاستری، استاد دانشگاه کویینز و از نویسندگان این پژوهش چنین مسائلی عملاً با روشهای رایج غیرقابل حل هستند.
برای غلبه بر این محدودیت پژوهشگران به مدل ایزینگ (ایدهای قدیمی در فیزیک) رجوع کردند. در این مدل مسئله به مجموعهای از اسپینها شبیهسازی میشود که هرکدام میتوانند دو حالت داشته باشند و کل سیستم بهطور طبیعی بهسمت کمانرژیترین حالت حرکت میکند؛ حالتی که معادل بهترین پاسخ مسئله است.
در این سامانه جدید بهجای آهنرباهای واقعی، از پالسهای نور استفاده شده است. هر اسپین با وجود یا عدم وجود یک پالس نوری نمایش داده میشود. این پالسها در حلقهای متشکل از لیزرها، فیبرهای نوری و مدولاتورها (قطعاتی مشابه تجهیزات رایج اینترنت) به گردش درمیآیند و با تاثیرگذاری متقابل بهتدریج به الگویی پایدار میرسند که پاسخ مسئله را رمزگذاری میکند.
این روش دو مزیت مهم دارد: نخست، سرعت بسیار بالای نور که امکان انجام میلیاردها عملیات در ثانیه را فراهم میکند؛ و دوم، عملکرد سامانه در دمای اتاق بدون نیاز به سرمایشهای شدید یا مواد خاص. همین موضوع آن را به گزینهای کممصرف و عملیتر نسبت به بسیاری از سامانههای آزمایشی تبدیل میکند.
به گفته محققان این معماری تنها با پنج مؤلفه اصلی قادر است مسائل کاملا متصل با ۲۵۶ اسپین و بیش از ۶۵ هزار اتصال را حل کند و در حالت پراکنده حتی به بیش از ۴۱ هزار اسپین نیز برسد؛ عملکردی که از بسیاری از ماشینهای ایزینگ نوری پرهزینه موجود بهتر است. افزون بر این سامانه برای ساعتها پایدار باقی مانده و فرصت کافی برای کاوش مسائل بسیار پیچیده را فراهم میکند.
کاربردهای بالقوه این فناوری فراتر از فیزیک است و میتواند در حوزههایی مانند کشف دارو، رمزنگاری، برنامهریزی شهری، مالی، انرژی و لجستیک تحولآفرین باشد. با این حال پژوهشگران تاکید میکنند که این سامانه جایگزین رایانههای کلاسیک یا کوانتومی نیست بلکه ابزاری تخصصی برای حل مسائل بهینهسازی به شمار میرود.
گام بعدی تیم تحقیقاتی افزایش مقیاس سامانه، بهبود بهرهوری انرژی و همکاری با صنعت برای آزمایش کاربردهای واقعی است. در صورت موفقیت این رویکرد مبتنی بر نور میتواند سرآغاز عصری تازه در دنیای محاسبات باشد.
این پژوهش در نشریه علمی Nature منتشر شده است.
انتهای پیام/
