رایانه نوری نوین دانشگاه کویینز: جهشی در حل مسائل محاسباتی پیچیده

چالش مسائل محاسباتی پیچیده

برای دهه‌های متمادی، رویکرد اصلی در مواجهه با مسائل محاسباتی دشوار، ساخت رایانه‌هایی بزرگ‌تر و سریع‌تر بوده است. اما محققان اکنون بر این باورند که مشکل بسیاری از این مسائل، نه در پیچیدگی ذاتی آن‌ها، بلکه در تعداد بی‌شمار پاسخ‌های ممکن نهفته است؛ وضعیتی که بررسی تمامی گزینه‌ها را عملاً غیرممکن می‌سازد. این چالش در حوزه‌های حیاتی نظیر طراحی دارو، رمزنگاری، بهینه‌سازی زنجیره تامین و مسیریابی، به‌وضوح قابل مشاهده است.

ماشین ایزینگ مبتنی بر نور: راه حلی نوین

محققان دانشگاه کویینز برای غلبه بر این محدودیت‌ها، یک ماشین ایزینگ مبتنی بر نور را طراحی کرده‌اند. این دستگاه با تکیه بر اصول فیزیک، راهی میان‌بر برای حل این دست از مسائل ارائه می‌دهد. به گفته نویسندگان مقاله، آن‌ها موفق به معرفی یک نوسان‌ساز اپتوالکترونیکی مبتنی بر ماشین ایزینگ شده‌اند که از ویژگی‌های پایداری، قابلیت برنامه‌ریزی و کارکرد در دمای اتاق برخوردار است.

«ما موفق به معرفی یک نوسان‌ساز اپتوالکترونیکی مبتنی بر ماشین ایزینگ، پایدار، قابل برنامه‌ریزی و قابل‌کار در دمای اتاق شده‌ایم.»

ماشین ایزینگ چیست؟

ماشین ایزینگ نوعی رایانه تخصصی است که به‌طور خاص برای حل مسائل بهینه‌سازی طراحی شده است. هدف از این مسائل، یافتن بهترین پاسخ از میان تعداد بسیار زیادی از گزینه‌های موجود است. این مسائل با افزایش ابعاد، به‌صورت نمایی پیچیده‌تر می‌شوند، تا جایی که حتی سریع‌ترین سامانه‌های محاسباتی نیز در حل آن‌ها ناتوان می‌مانند.

مثالی از پیچیدگی مسائل بهینه‌سازی

برای درک بهتر این پیچیدگی، برنامه‌ریزی مسیرهای تحویل برای یک شرکت بزرگ لجستیکی را در نظر بگیرید:

• با ۵ توقف، تنها ۱۲ مسیر ممکن وجود دارد.
• با ۱۰ توقف، این عدد به ۱۸۰ هزار مسیر می‌رسد.
• با ۲۰ توقف، تعداد گزینه‌ها از ۶۰ میلیون میلیارد فراتر می‌رود.
• با ۵۰ توقف، بررسی تمامی حالت‌ها بیش از عمر جهان زمان می‌برد.

باوین شاستری، استاد دانشگاه کویینز و یکی از نویسندگان این پژوهش، تاکید می‌کند که چنین مسائلی عملاً با روش‌های رایج غیرقابل حل هستند.

مدل ایزینگ و کاربرد نور

برای غلبه بر این محدودیت، پژوهشگران به مدل ایزینگ، که ایده‌ای قدیمی در فیزیک است، رجوع کردند. در این مدل، مسئله به مجموعه‌ای از اسپین‌ها شبیه‌سازی می‌شود که هر یک می‌توانند دو حالت داشته باشند. کل سیستم به‌طور طبیعی به سمت کم‌انرژی‌ترین حالت حرکت می‌کند که معادل بهترین پاسخ مسئله است.

در این سامانه جدید، به جای 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.

مزایای کلیدی فناوری جدید

این روش دو مزیت مهم را به همراه دارد:

1. سرعت بسیار بالای نور: این ویژگی امکان انجام میلیاردها عملیات در ثانیه را فراهم می‌کند.
2. عملکرد در دمای اتاق: سامانه بدون نیاز به سرمایش‌های شدید یا مواد خاص کار می‌کند، که آن را به گزینه‌ای کم‌مصرف و عملی‌تر نسبت به بسیاری از سامانه‌های آزمایشی تبدیل می‌کند.

محققان اظهار داشته‌اند که این معماری تنها با پنج مؤلفه اصلی، قادر به حل مسائل کاملاً متصل با ۲۵۶ اسپین و بیش از ۶۵ هزار اتصال است. در حالت پراکنده، این سامانه حتی می‌تواند به بیش از ۴۱ هزار اسپین نیز برسد. این عملکرد از بسیاری از ماشین‌های ایزینگ نوری پرهزینه موجود بهتر است. علاوه بر این، سامانه برای ساعت‌ها پایدار باقی می‌ماند و فرصت کافی برای کاوش مسائل بسیار پیچیده را فراهم می‌کند.

کاربردهای بالقوه و گام‌های آتی

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 شامل 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 مهم در نشریه علمی Nature منتشر شده است.