رایانه کوانتومی Quantum computer
رایانه کوانتومی Quantum computer
آشنایی با مفهوم Quantum Entanglement
وقتی دو ذره درهم تنیده می‌شوند، پدیده‌ای به وجود می‌آید که در آن اگر هر اتفاقی برای یکی از این ذرات بیفتد، برای ذره دیگر هم همان اتفاق رخ خواهد داد که انیشتین این پدیده را Spooky Action At A Distance نامید. در همین راستا، بخش اصلی و بزرگ تحقیقات مربوط به موضوع فیریک کوانتومی که در دههٔ 1980 انجام شد بر این اصل استوار است که استفاده از Quantum Entanglement (درهم‌تنیدگی کوانتومی) خیلی از مشکلات لاینحل امروزی را رفع خواهد کرد.
با اینکه خود تکنولوژی کوانتومی در حال حاضر موجود است، اما چالش‌های بسیاری وجود دارد تا اینکه بتوان این تکنولوژی را به صورت کامل پیاده‌سازی و اجرا کرد. اول اینکه ما هنوز به قدر کافی در استفاده از کامپیوترهای کوانتومی تجربه نداریم به این معنی که از نقطه نظر کاربرد، دانش و توانایی ما در زمینهٔ استفاده از کامپیوترهای کوانتومی به مراتب عقب‌تر از کامپیوترهای معمولی است مضاف بر اینکه باید بر نگرانی‌های فیزیکی و مادی هم غلبه کرد (برای مثال، پردازنده‌ها باید در گرمای شدید، در دمای صفر مطلق نگاه‌داری شوند و این یک چالش بزرگ است.)
اما از طرفی با اینکه مشکلات باورنکردنی بر سر راه وجود دارند، آینده و چشم‌انداز کاملاً روشن است. برای مثال، در دستاوردهای دانشمندان چینی، برای اولین بار یک تماس ویدئویی اصطلاحاً Space-based توسط فناوری کوانتومی رمزگذاری شد. این تماس ویدئویی بین یک دانشمند چینی در پکن و یک دانشمند اتریشی در وین برقرار شد که فاصلهٔ بین آنها بیش از ۶۵۰۰ کیلومتر بود. این ارتباط ابتدا به یک ماهواره در فضا فرستاده شد و سپس به زمین برگشت. در واقع، دانشمندان به دلیل اینکه در روش‌های سُنتی ارسال فوتون‌ها مانند کابل‌های فیبر نوری قطع سیگنال وجود دارد، تصمیم گرفتند از این روش برای انجام چنین تحقیقی استفاده کنند که به دستاورهای فوق‌العاده‌ای هم نائل شدند.
نیاز به توضیح است که ارتباطات رمزگذاری‌شدۀ کوانتومی امکان ندارد که توسط یک کامپیوتر باینری هک شوند اما در عین حال ذکر این نکته هم الزامی است که موفقیت در ساخت یک کامپیوتر کوانتومی مناسب بازار می‌تواند هشداری برای اتمام نسل سیستم‌های رمزنگاری باینری باشد. از دید تئوریک، کامپیوترهای کوانتومی قادر خواهند بود رمزگذاری 128Bit مرسوم در سیستم‌های باینری را فوراً کرک کنند و این توانایی عجیب می‌تواند به منزلهٔ پایان عمر کامپیوترهای مرسوم امروزی باشد
در حال حاظر آی بی ام و گوگل در حال رقابت برای ساخت یک رایانه کوانتومی واقعاً کارامد هستند. در این مقاله قصد داریم به شما توضیح دهیم که چه چیزهایی باعث می‌شوند رایانه‌های کوانتومی متفاوت از رایانه‌های عادی باشند و چگونه می‌توان با استفاده از آنها جهان را تغییر داد. در حقیقت محاسبات کوانتومی می‌توانند جهان را تغییر دهند، این محاسبات می‌توانند داروها را متحول کنند، حل راز و رمزها را آسان و ارتباطات و هوش مصنوعی را گسترش دهند.
شرکت‌هایی مانند آی بی ام، مایکروسافت و گوگل در رقابتی سخت برای ساخت رایانه‌های کوانتومی قابل اعتماد هستند. چین نیز در این زمینه میلیاردها دلار سرمایه گذاری کرده است. به تازگی، گوگل ادعا کرده که به برتری کوانتومی دست یافته است و این اولین باری است که یک کامپیوتر کوانتومی از نوع سنتی خود پیشی گرفته است. اما محاسبات کوانتومی چیست و چطور کار می‌کند؟
اصول گزیده‌ای از رایانه‌های کوانتومی
رؤیای محاسبات ماشینی یا ماشینی که بتواند مسائل را در اشکال گوناگون حل کند کمتر از دو قرن است که زندگی بشر را به‌طور جدی دربر گرفته‌است. اگر از ابزارهایی نظیر چرتکه و برخی تلاش‌های پراکنده دیگر در این زمینه بگذریم، شاید بهترین شروع را بتوان به تلاش‌های «چارلز بابیج» و «بلز پاسکال» با ماشین محاسبه مکانیکی شان نسبت داد. با گذشت زمان و تا ابتدای قرن بیستم تلاش‌های زیادی جهت بهبود ماشین محاسب مکانیکی صورت گرفت که همه آنها بر پایه ریاضیات دهدهی (decimal) بود، یعنی این ماشین‌ها محاسبات را همان‌طور که ما روی کاغذ انجام می‌دهیم انجام می‌دادند. اما تحول بزرگ در محاسبات ماشینی در ابتدای قرن بیستم شروع شد. این زمانی است که الگوریتم و مفهوم فرایندهای الگوریتمی (algorithmic processes) به سرعت در ریاضیات و به تدریج سایر علوم رشد کرد. ریاضیدانان شروع به معرفی سیستم‌های جدیدی برای پیاده‌سازی الگوریتمی کلی کردند که در نتیجه آن، سیستم‌های انتزاعی محاسباتی به وجود آمدند. در این میان سهم برخی بیشتر از سایرین بود. آنچه امروزه آن را دانش رایانه یا الکترونیک دیجیتال می‌نامیم مرهون و مدیون کار ریاضیدان برجسته انگلیسی به نام «آلن تورینگ» (Alan Turing) است. وی مدلی ریاضی را ابداع کرد که آن را ماشین تورینگ می‌نامیم و اساس تکنولوژی دیجیتال در تمام سطوح آن است. وی با پیشنهاد استفاده از سیستم دودویی برای محاسبات به جای سیستم عددنویسی دهدهی که تا آن زمان در ماشین‌های مکانیکی مرسوم بود، انقلابی عظیم را در این زمینه به وجود آورد. پس از نظریه طلایی تورینگ، دیری نپایید که «جان فون نویمان» یکی دیگر از نظریه پردازان بزرگ قرن بیستم موفق شد ماشین محاسبه‌گری را بر پایه طرح تورینگ و با استفاده از قطعات و مدارات الکترونیکی ابتدایی بسازد. به این ترتیب دانش رایانه به تدریج از ریاضیات جدا شد و امروزه خود زمینه‌ای مستقل و در تعامل با سایر علوم به‌شمار می‌رود. گیتهای پیشرفته، مدارات ابر مجتمع، منابع ذخیره و بازیابی بسیار حجیم و کوچک، افزایش تعداد عمل در واحد زمان و غیره از مهم‌ترین این پیشرفت‌ها در بخش سخت‌افزاری محسوب می‌شوند. در ۱۹۶۵ «گوردون مور» اظهار کرد که توان رایانه‌ها هر دو سال دو برابر خواهد شد. در تمام این سال‌ها، تلاش عمده در جهت افزایش قدرت و سرعت عملیاتی در کنار کوچک‌سازی زیر ساختها و اجزای بنیادی بوده‌است. نظریه مور در دهه‌های ۶۰ و ۷۰ میلادی تقریباً درست بود. اما از ابتدای دهه ۸۰ میلادی و با سرعت گرفتن این پیشرفت‌ها، شبهات و پرسش‌هایی در محافل علمی مطرح شد که این کوچک سازی‌ها تا کجا می‌توانند ادامه پیدا کنند؟ کوچک کردن ترانزیستورها و مجتمع کردن آنها در فضای کمتر نمی‌تواند تا ابد ادامه داشته باشد زیرا در حدود ابعاد نانومتری اثرات کوانتومی از قبیل تونل زنی الکترونی بروز می‌کنند. گرچه همیشه تکنولوژی چندین گام بزرگ از نظریه عقب است، بسیاری از دانشمندان در زمینه‌های مختلف به فکر رفع این مشکل تا زمان رشد فناوری به حد مورد نظر افتادند. به این ترتیب بود که برای نخستین بار در سال ۱۹۸۲ «ریچارد فاینمن» معلم بزرگ فیزیک و برنده جایزه نوبل، پیشنهاد کرد که باید محاسبات را از دنیای دیجیتال وارد دنیای جدیدی به نام کوانتوم کرد که بسیار متفاوت از قبلی است و نه تنها مشکلات گذشته و محدودیت‌های موجود را بر طرف می‌سازد، بلکه افق‌های جدیدی را نیز به این مجموعه اضافه می‌کند. این پیشنهاد تا اوایل دهه ۹۰ میلادی مورد توجه جدی قرار نگرفت تا بالاخره در ۱۹۹۴ «پیتر شور» از آزمایشگاه AT&T در آمریکا نخستین گام را برای محقق کردن این آرزو برداشت. به این ترتیب ارتباط نوینی بین نظریه اطلاعات و مکانیک کوانتومی شروع به شکل‌گیری کرد که امروز آن را محاسبات کوانتومی یا محاسبات نانومتری (nano computing) می‌نامیم. در واقع هدف محاسبات کوانتومی یافتن روش‌هایی برای طراحی مجدد ادوات شناخته شده محاسبات (مانند گیت‌ها و ترانزیستورها) به گونه ایست که بتوانند تحت اثرات کوانتومی، که در محدوده ابعاد نانومتری و کوچکتر بروز می‌کنند، کار کنند.
محاسبات کوانتومی
رایانه تنها بخشی از دنیایی است که ما آن را دنیای دیجیتالی می‌نامیم. پردازش ماشینی اطلاعات، در هر شکلی، بر مبنای دیجیتال و محاسبات کلاسیک انجام می‌شود. اما کمتر از یک دهه است که روش بهتر و قدرتمندتر دیگری برای پردازش اطلاعات پیش رویمان قرار گرفته که بر اساس مکانیک کوانتومی می‌باشد. این روش جدید با ویژگی‌هایی همراه است که آن را از محاسبات کلاسیک بسیار متمایز می‌سازد. گرچه محاسبات دانشی است که اساس تولد آن در ریاضیات بود، اما رایانه‌ها سیستم‌هایی فیزیکی هستند و فیزیک در آینده این دانش نقش تعیین‌کننده‌ای خواهد داشت. البته وجود تفاوت بین این دو به معنای حذف یکی و جایگزینی دیگری نیست. به قول «نیلز بور» گاهی ممکن است خلاف یک حقیقت انکار ناپذیر منجر به حقیقت انکار ناپذیر دیگری شود؛ بنابراین محاسبات کوانتومی را به عنوان یک زمینه و روش جدید و بسیار کارآمد مطرح می‌کنیم. وجود چند پدیده مهم که مختص فیزیک کوانتومی است، آن را از دنیای کلاسیک جدا می‌سازد. این پدید ه‌ها عبارتند از: برهم‌نهی(superposition)، تداخل (interference), Entanglement، ناموجبیت (non determinism)، ناجایگزیدگی (non locality) و تکثیرناپذیری (non clonability). برای بررسی اثرات این پدیده‌ها در این روش جدید، لازم است که ابتدا واحد اطلاعات کوانتومی را معرفی کنیم. هر سیستم محاسباتی دارای یک پایه اطلاعاتی است که نماینده کوچکترین میزان اطلاعات قابل نمایش، چه پردازش شده و چه خام است. در محاسبات کلاسیک این واحد ساختاری را بیت می‌نامیم که گزیده واژه «عدد دودویی» است زیرا می‌تواند تنها یکی از دو رقم مجاز صفر و یک را در خود نگه دارد. به عبارت دیگر هر یک از ارقام یاد شده در محاسبات کلاسیک، کوچکترین میزان اطلاعات قابل نمایش محسوب می‌شوند. پس سیستم‌هایی هم که برای این مدل وجود دارند باید بتوانند به نوعی این مفهوم را عرضه کنند. در محاسبات کوانتومی هم چنین پایه‌ای معرفی می‌شود که آن را کیوبیت (qubit) یا بیت کوانتومی می‌نامیم. اما این تعریف کیوبیت نیست و باید آن را همراه با مفهوم و نمونه‌های واقعی و فیزیکی درک کرد. در ضمن فراموش نمی‌کنیم که کیوبیت‌ها سیستم‌هایی فیزیکی هستند، نه مفاهیمی انتزاعی و اگر از ریاضیات هم برای توصیف آنها کمک می‌گیریم تنها به دلیل ماهیت کوانتومی آنها است. در فیزیک کلاسیک برای نگهداری یک بیت از حالت یک سیستم فیزیکی استفاده می‌شود. در سیستم‌های کلاسیکی اولیه (رایانه‌های مکانیکی) از موقعیت مکانی دندانه‌های چند چرخ دنده برای نمایش اطلاعات استفاده می‌شد. از زمانی‌که حساب دودویی برای محاسبات پیشنهاد شد، سیستم‌های دو حالتی انتخاب‌های ممکن برای محاسبات عملی شدند. به این معنی که تنها کافی بود تا سیستمی دو حالت یا دو پیکربندی مشخص، متمایز و بدون تغییر داشته باشد تا بتوان از آن برای این منظور استفاده کرد. به همین جهت، از بین تمام کاندیداها، سیستم‌های الکتریکی و الکترونیکی برای این کار انتخاب شدند. به این شکل، هر بیت، یک مدار الکتریکی است که یا در آن جریان وجود دارد یا ندارد. هر بیت کوانتومی یا کیوبیت عبارت است از یک سیستم دودویی که می‌تواند دو حالت مجزا داشته باشد. به عبارت فنی‌تر، کیوبیت یک سیستم دو بعدی کوانتومی با دوپایه به شکل و است. البته نمایش پایه‌ها یکتا نیست، به این دلیل که بر خلاف محاسبات کلاسیک در محاسبات کوانتومی از چند سیستم کوانتومی به جای یک سیستم ارجح استفاده می‌کنیم. اولین کاندید برای نمایش کیوبیت استفاده از مفهوم اسپین است که معمولاً اتم هیدروژن برای آن به کار می‌رود. در اندازه‌گیری اسپین یک الکترون، احتمال بدست آمدن دو نتیجه وجود دارد: یا اسپین رو به بالاست که با آن را با نشان می‌دهیم و معادل است یا رو به پائین است که با نشان می‌دهیم و معادل است با |۱>|. بالا یا پائین بودن جهت اسپین در یک اندازه‌گیری از آنجا ناشی می‌شود که اگر اسپین اندازه‌گیری شده در جهت محوری باشد که اندازه‌گیری را در جهت آن انجام داده‌ایم، آن را بالا و اگر در خلاف جهت این محور باشد آن را پائین می‌نامیم. علاوه بر اسپین از وضع قطبش یک پرتو فوتونی و نیز سطوح انرژی مجزای یک اتم دلخواه نیز می‌توان به عنوان سیستم کیوبیتی استفاده کرد. شاید بتوان مهم‌ترین تفاوت بیت و کیوبیت را در این دانست که بیت کلاسیک فقط می‌تواند در یکی از دو حالت ممکن خود قرار داشته باشد در حالیکه بیت کوانتومی می‌تواند به‌طور بالقوه در بیش از دو حالت وجود داشته باشد. تفاوت دیگر در اینجاست که هرگاه بخواهیم می‌توانیم مقدار یک بیت را تعیین کنیم اما اینکار را در مورد یک کیوبیت نمی‌توان انجام داد. به زبان کوانتومی، یک کیوبیت را با عبارت نشان می‌دهیم. حاصل اندازه‌گیری روی یک کیوبیت حالت |o> را با احتمال C۱۲ و حالت |۱>| را با احتمال C۲۲ بدست می‌دهد. البته اندازه‌گیری یک کیوبیت حتماً یکی از دو نتیجه ممکن را بدست می‌دهد. از سوی دیگر اندازه‌گیری روی سیستم‌های کوانتومی حالت اصلی آنها را تغییر می‌دهد. کیوبیت در حالت کلی در یک حالت برهم‌نهاده از دو پایه ممکن قرار دارد. اما در اثر اندازه‌گیری حتماً به یکی از پایه‌ها برگشت می‌کند. به این ترتیب هر کیوبیت، پیش از اندازه‌گیری‌شدن می‌تواند اطلاعات زیادی را در خود داشته باشد.
توانایی و قدرت محاسبات کوانتومی
بین رایانه‌های کلاسیک و رایانه‌های کوانتومی نسل آینده تفاوت اساسی وجود دارد. یک رایانه کلاسیک بر اساس قوانین فیزیک کلاسیک دستورهای از پیش تعیین شده‌ای را اجرا می‌کند، اما یک رایانه کوانتومی دستگاهی است که یک پدیدهٔ فیزیکی را بر اساس مکانیک کوانتومی به صورت منحصربه‌فردی درمی‌آورد تا به صورت اساسی یک حالت جدید از پردازش اطلاعات را تشخیص دهد. در یک رایانه معمولی اطلاعات به صورت یک سری بیت کدگذاری می‌شوند و این بیت‌ها از طریق گیتهای منطقی بولین که سری هستند برای نتیجهٔ نهایی دستکاری می‌شوند به‌طور مشابه یک رایانه کوانتومی، کوبیت‌ها یا بیتهای کوانتومی را با اجرای یک از گیتهای کوانتومی دستکاری می‌کند و هر واحد انتقال بر روی یک تک کوبیت یا یک جفت کوبیت عمل می‌کند. با به کار بردن این کمیت‌های متوالی یک رایانه کوانتومی می‌تواند یک واحد انتقال پیچیده از طریق مجموعه‌ای از کوبیت‌ها در بعضی حالات ابتدایی ایجاد کند. پیشبرد پروژه ایجاد رایانه‌های کوانتومی در یک رایانه کوانتومی به جای استفاده از ترانزیستورها و مدارهای رایانه‌ای معمولی از اتم‌ها و سایر ذرات ریز برای پردازش اطلاعات استفاده می‌شود. یک اتم می‌تواند به عنوان یک بیت حافظه در رایانه عمل کند و جابجایی اطلاعات از یک محل به محل دیگر نیز توسط نور امکان می‌پذیرد.
- کریس مونرو و همکارانش در دانشگاه میشیگان برای ذخیره اطلاعات با استفاده از حالت مغناطیسی اتم از یک اتم کادمیم به دام افتاده در میدان الکتریکی استفاده کردند. در این روش انرژی توسط یک لیزر به درون اتم پمپاژ شده و اتم وادار به گسیل فوتونی می‌شود که رونوشتی از اطلاعات اتم را دربردارد و توسط آشکارساز قابل تشخیص است.
- ذخیره اطلاعات در رایانه‌ها به صورت سری‌هایی از بیتهای با حالت‌های روشن و خاموش صورت می‌گیرد. در اتم کادمیم در صورتی که میدان‌های مغناطیسی کوچک هسته و الکترون‌های بیرونی در یک جهت قرار بگیرند روشن و در خلاف جهت خاموش محسوب می‌شوند. کریس مونرو گفته‌است: اتم کادمیم در هر یک از این حالات که باشد می‌تواند هزاران سال در همان حالت بماند.
پیاده‌سازی
در سال ۲۰۱۱ شرکت رایانه‌ای D-Wave Systems اولین رایانهٔ کوانتومی قابل عرضه در بازار را معرفی کرد. این رایانه D-Wave One نام دارد و از یک پردازنده ۱۲۸ کیوبیتی بهره می‌گیرد. در سال ۲۰۱۳ هم رایانهٔ کوانتومی D-Wave Two از همین شرکت عرضه شد. تعدادی از محققین، در مورد این دو رایانه ابراز شک و تردید کردند.
بیت کوانتومی در برابر بیت
یک رایانه کوانتومی که دارای تعدادی بیت کوانتومی است، اساساً با رایانه کلاسیک که دارای همان تعداد بیت است متفاوت است. برای مثال برای نشان دادن حالت سیستم n بیت کوانتومی روی رایانه کلاسیک، احتیاج به ذخیره n ضریب مختلط است. اگرچه به نظر می‌رسد که بیت کوانتومی می‌تواند اطلاعات را به‌طور نمایی بیشتر از همتایان کلاسیک خود نگه دارد؛ نباید از این حقیقت بیتهای کوانتومی که فقط احتمال انطباق در همه حالت هایشان هستند، چشم پوشی کنیم. به این معنی که وقتی حالت نهایی بیت کوانتومی اندازه‌گیری شود، آنها فقط در یکی از تنظیمات ممکن که قبلاً اندازه‌گیری شده‌اند یافت می‌شوند. علاوه بر این اگر فکر کنیم که بیتهای کوانتومی فقط در یک حالت ممکن قبل از اندازه‌گیری وجود داشته اند، نادرست است. چرا که این حقیقت وجود دارد که آنها در حالت‌های منطبق قبل از اینکه اندازه‌گیری شوند روی نتایج احتمالی محاسبات تأثیر مستقیم دارند. برای مثال رایانه کلاسیک اولیه را در نظر بگیرید که با حافظه ۳ بیت کار می‌کند. رایانه در هر زمان، یک توزیع احتمال با ۸ حالت مختلف دارد. اگر یک رایانه مطمئن باشد، پس قطعاً حالتی وجود دارد که احتمال وجود آن حالت ۱ است. اگر رایانه یک رایانه احتمالی (غیر قطعی) باشد، احتمال این وجود دارد که رایانه در هر یک از حالت‌های مختلف قرار بگیرد. ما می‌توانیم هریک از این حالت‌های احتمالی را با ۸ عدد توصیف کنیم. باید در نظر گرفت که مجموع احتمالات این حالتها برابر با یک خواهد بود. حالت رایانه کوانتومی ۳ بیت با یک بردار ۸ بعدی توصیف می‌شود که Ket نامیده می‌شود؛ بنابراین به جای جمع کردن احتمال این حالتها، مجموع مربعات این حالتها را در نظر می‌گیریم که مقدار آن برابر با یک خواهد بود. علاوه بر این ضرائب اعداد مختلط هستند. گرچه دامنه این حالتها با اعداد مختلط نشان داده می‌شود، فاز بین دو حالت یک پارامتر معنی دار است که این یک کلید تفاوت بین محاسبه کوانتوم و احتمال محاسبه کلاسیکی است. اگر هر بیت بتواند در دو حالت صفر یا یک وجود داشته باشد، کیوبیت‌ها می‌توانند در هر لحظه صفر، یک، هر دوی آنها یا هر عددی بین آنها را اختیار کنند. به علاوه چنین قابلیتی، رایانه‌های کوانتومی می‌توانند همه این داده‌های گوناگون را هم در یک زمان پردازش کنند چون محدودیت تنها دو حالت صفر و یک وجود ندارد. در واقع در رایانش کوانتومی به جای پردازش به صورت سری، پردازش موازی انجام شده و زمانی که کاربر به اندازه‌گیری مقدار می‌پردازد تنها یکی از حالت‌های ممکن که احتمال بیشتری از سایرین دارد به نمایش در می‌آید. چنین کاری باعث افزایش سرعت پردازش مسائل در رایانه‌های کوانتومی به اندازه چندین میلیون برابر رایانه‌های کلاسیک باشد. کیوبیت‌ها می‌توانند در اتم‌ها، یون‌ها یا حتی موجودات کوچک‌تری مانند الکترون‌ها و فوتون‌ها ذخیره شوند
عملکرد
کوانتوم، بردارهای ۸ بعدی هستند. آنها به‌طور متفاوتی برای محاسبات کلاسیکی و کوانتومی عمل می‌کنند. برای محاسبه در هر زمینه، سیستم باید مقدار دهی شود.
محاسبات کوانتومی چیست؟
بیایید با اصول اولیه شروع کنیم. یک تراشه رایانه معمولی از بیت‌ها استفاده می‌کند. این بیت‌ها مانند کلیدهای کوچکی هستند که می‌توانند در حالت خاموش که با صفر نشان داده شده است یا در حالت روشن که با یک نمایش داده می‌شود، قرار گیرند. هر برنامه‌ای که استفاده می‌کنید، وب سایتی که از آن بازدید می‌کنید و عکسی که می‌گیرید در نهایت از میلیون‌ها بیت که ترکیبی از صفر و یک هستند، ساخته شده است.
این روش برای اکثر کارها بسیار کارامد است، اما در واقع بازتاب دهنده نحوه عملکرد جهان نیست. در طبیعت همه چیز فقط روشن یا خاموش نیست و در واقع نامشخص هستند. حتی بهترین ابر رایانه‌های ما نیز در برخورد با عدم قطعیت خوب نیستند و این یک مشکل اساسی است. طی یک قرن گذشته، فیزیک‌دانان کشف کرده‌اند که وقتی به مقیاس بسیار ریز وارد می‌شویم، اتفاقات عجیب و غریب آغاز می‌شوند. از همین رو آنها یک حوزه علمی کاملاً جدید را برای تلاش و توضیح این اتفاقات پایه‌گذاری کرده‌اند که مکانیک کوانتوم نامیده می‌شود. مکانیک کوانتوم پایه و اساس فیزیک است که زیربنای علم شیمی است، شیمی نیز پایه و اساس زیست شناسی است. بنابراین برای اینکه دانشمندان بتوانند هر یک از این موارد را به طور دقیق شبیه‌سازی کنند به روش بهتری برای محاسبات نیاز دارند که بتواند با اصل عدم قطعیت سازگار باشد و اینجاست که کامپیوترهای کوانتومی وارد می‌شوند.
کامپیوترهای کوانتومی چگونه کار می کنند؟
کامپیوترهای کوانتومی به جای بیت از کوبیت استفاده می‌کنند و به جای اینکه فقط روشن یا خاموش باشند، کوبیت‌ها می‌توانند علاوه بر خاموش و روشن در حالتی به نام “برهم نهی” نیز قرار بگیرند؛ جایی که در آن هم خاموش و هم روشن هستند یا جایی در طیف بین این دو قرار دارند.
یک سکه در دست بگیرید. اگر به آن را تلنگری بزنید می‌تواند در یک لحظه به یک سمت بیفتد اما اگر آن را بچرخانید امکان قرارگیری روی هر سمت سکه وجود دارد، تا زمانی که با متوقف کردن سکه آن حالت را بیابید. حالت برهم نهی مانند یک سکه در حال چرخش است و این یکی از مواردی است که کامپیوترهای کوانتومی را بسیار قدرتمند می کند. در واقع یک کوبیت امکان عدم قطعیت را فراهم می‌کند. اگر از یک رایانه عادی بخواهید که راه خود را درون پیچ و خم‌ها پیدا کند، هر شاخه را در نوبت خود امتحان کرده سپس همه آنها را بصورت جداگانه بررسی می‌کند تا اینکه راه مناسب را پیدا کند. اما یک رایانه کوانتومی می‌تواند به یکباره در هر مسیر پیچ و خم حرکت کند و عدم قطعیت را در راس امور خود نگه دارد. این راهکار مانند نگه داشتن انگشت در بین صفحات کتاب ماجراجویی خودتان است. اگر شخصیت شما از بین برود، می‌توانید به جای اینکه مجدداً به آغاز کتاب برگردید، بی درنگ مسیر متفاوتی را در پیش بگیرید.
کار دیگری که کوبیت‌ها می توانند انجام دهند، در هم تنیدگی نامیده می‌شود. به طور معمول، اگر شما به دو سکه تلنگری بزنید، نتیجه هر سکه هیچ تاثیری در نتیجه دیگری ندارد و آنها مستقل از هم هستند. در بحث در هم تنیدگی، دو ذره با هم پیوند دارند حتی اگر از نظر فیزیکی از هم دیگر جدا باشند. در این حالت اگر یک نمونه موفق شود، دیگری سر نیز سربلند خواهد بود. این نکات به نظر سحر و جادو می‌رسند و فیزیک‌دانان نیز هنوز نمی‌فهمند که چگونه یا چرا این مکانیزم‌ها کار می‌کنند. اما در حوزه محاسبات کوانتومی، این بدین معنی است که می‌توانید اطلاعات را به اطراف و جهات گوناگون حرکت داده و جا به جا کنید حتی اگر حاوی عدم قطعیت باشند. اگر بتوانید چندین کوبیت را با هم جمع کنید، می‌توانید مسائلی را حل کنید که برای بهترین کامپیوترهای حال حاضر میلیون ها سال طول می‌کشد.
رایانه‌های کوانتومی چه کارهایی می‌توانند انجام دهند؟
رایانه‌های کوانتومی تنها برای انجام سریع و بهینه‌تر کارها ساخته نشده‌اند. آنها به ما اجازه می‌دهند کارهایی را انجام دهیم که حتی در خواب نیز ندیده‌ایم، کارهایی که حتی بهترین ابر رایانه‌های امروزی نیز قادر به انجام آن نیستند.
این رایانه‌ها این پتانسیل را دارند تا توسعه هوش مصنوعی را تسریع کنند، هوش مصنوعی‌ای که گوگل از آن برای بهبود نرم افزارهای رانندگی خودکار استفاده می‌کند. این علم همچنین برای مدل سازی واکنش‌های شیمیایی نیز بسیار حیاتی است. در حال حاضر، ابر رایانه‌ها می‌توانند ابتدایی‌ترین مولکولها را تجزیه و تحلیل کنند. اما رایانه‌های کوانتومی با استفاده از همان خصوصیات کوانتومی مولکولی که سعی در شبیه‌سازی آن دارند، کار می‌کنند. رایانه‌های کوانتومی حتی نباید با پیچیده ترین واکنش‌ها نیز مشکلی داشته باشند. این می‌تواند به معنای محصولات کارآمدتری باشد؛ برای مثال می‌توان به مواد جدید در باتری اتومبیل‌های برقی، داروهای بهتر و ارزان‌تر یا پنل‌های خورشیدی بسیار پیشرفته‌تر اشاره کرد. دانشمندان امیدوارند که شبیه سازی‌های کوانتومی حتی بتوانند به یافتن درمانی برای آلزایمر نیز کمک کنند.
رایانه‌های کوانتومی در هر مکانی با سیستمی پیچیده، بزرگ و نامشخص که نیاز به شبیه‌سازی داشته باشد، کاربرد دارند. کارهای قابل انجام می‌توانند از پیش‌بینی بازارهای مالی گرفته تا مدل‌سازی رفتار الکترون‌ها را شامل شوند. در حقیقت می‌توانیم از محاسبات کوانتومی برای درک فیزیک کوانتومی نیز استفاده کنیم. رمزنگاری یکی دیگر از کاربردهای اصلی این رایانه‌ها خواهد بود. در حال حاضر، بسیاری از سیستم‌های رمزنگاری متکی بر سختی و مشکل شکستن تعداد زیادی کاراکتر برای رسیدن به کاراکترهای اصلی هستند. این کار فاکتور‌سازی نامیده می‌شود و برای رایانه‌های کلاسیک، کند، گران و غیر عملی می‌باشد. اما کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند این کار را به راحتی انجام دهند و این کار اطلاعات ما را درمعرض خطر قرار می‌دهد. شایعاتی وجود دارد مبنی بر اینکه آژانس‌های اطلاعاتی در سراسر جهان در حال جمع آوری طیف گسترده‌ای از داده‌های رمزگذاری شده هستند، به این امید که بتوانند به زودی با دستیابی به یک رایانه کوانتومی رمزها را بشکنند. تنها راه مقابله با این عمل، رمزگذاری کوانتومی است که این رمزگذاری به اصل عدم قطعیت متکی است. کلیدهای رمزگذاری کوانتومی قابل کپی یا هک کردن نیستند و باید گفت این کلیدها کاملاً غیرقابل هک خواهند بود.
چه زمانی به یک رایانه کوانتومی دست خواهیم یافت؟
احتمالاً هرگز در لپ تاپ یا تلفن هوشمند خود شاهد تراشه کوانتومی نخواهیم بود و قرار نیست که یک آیفون با نام آیفون کیو (iPhone Q) وجود داشته باشد!. رایانه‌های کوانتومی در حدود ده‌ها سال است که نظریه‌پردازی شده‌اند، اما دلیل طولانی شدن زمان برای رسیدن به آنها، حساسیت شدید این رایانه‌ها به هرگونه مشکل و تداخل می‌باشد.
تقریباً هر چیزی می‌تواند یک کوبیت را از حالت حساس برهم نهی خارج کند. در نتیجه، کامپیوترهای کوانتومی باید از تمام تداخل‌های الکتریکی جدا شده و تا نزدیک به صفر مطلق سرد شوند و این بسیار سردتر از سرمای محیط‌های خارجی است. این رایانه‌ها بیشتر توسط دانشگاهیان و مشاغل خاص مورد استفاده قرار خواهند گرفت که احتمالاً از راه دور به این رایانه‌ها دسترسی پیدا می‌کنند. استفاده از رایانه کوانتومی آی بی ام از طریق وب سایت آن امکان‌پذیر است و حتی می‌توانید با آن کارت بازی کنید. اما ما همچنان نیازمند زمان هستیم تا به روزی برسیم که این رایانه‌ها هر آنچه را که وعده داده‌اند عملی کنند. هم اکنون بهترین رایانه‌های کوانتومی حدود 50 کوبیت دارند و این مقدار کافی است تا آنها را فوق العاده قدرتمند بدانیم و باید دانست با اضافه کردن هر کوبیت شاهد افزایشی نمایی در ظرفیت پردازش این رایانه‌ها هستیم. البته اکنون این رایانه‌ها به دلیل مشکلات تداخلی که وجود دارد، دارای نرخ خطای بسیار بالایی هستند.
در حال حاضر این رایانه‌ها قدرتمند هستند اما قابل اعتماد نیستند. این بدان معنی است که ادعاهای برتری کوانتومی فعلاً واقعی نیستند و همچنان راه برای ادامه دادن دارند. در اکتبر سال 2019، گوگل مقاله‌ای منتشر کرد که نشان می‌داد به برتری کوانتومی دست پیدا کرده است اما رقبای گوگل همچون آی بی ام این ادعا را به چالش کشیدند. بسیاری از پیشرفت‌های بزرگی که تاکنون حاصل شده، برای حل کردن مسائلی بوده است که ما پیش از این جواب آنها را می‌دانستیم. در هر صورت، رسیدن به برتری کوانتومی به این معنی نیست که رایانه‌های کوانتومی در واقع آماده انجام هر کاری هستند. محققان پیشرفت زیادی در توسعه الگوریتم‌هایی که رایانه‌های کوانتومی استفاده خواهند کرد، داشته‌اند اما خود رایانه‌ها همچنان به توسعه و تکامل بیشتری نیاز دارند.
در انتها باید گفت که محاسبات کوانتومی می‌توانند جهان را تغییر دهد اما در حال حاضر، آینده این رایانه‌ها نامشخص است.
مشکلات ساخت رایانه های کوانتومی
دانشمندان به‌جای ترانزیستورهای سیلیکونی روی ریزتراشه‌ها، باید دستگاه‌های بدون لیزری را بسازند که اتم‌های واحد را به دام می‌اندازند و ماده را ابررسانا می‌کنند به‌طوری‌که جریان را بدون مقاومت منتقل کند و به‌این‌ترتیب می‌توان به خواص قابل تغییر کوانتومی و معماری‌های بالقوه‌ی دیگر رسید. برای رسیدن به این هدف، ریزپردازنده باید در دمای صفر مطلق قرار بگیرد. در این دما ذرات از حداقل گرما برخوردار هستند. کنترل و ثابت نگه‌داشتن چنین سیستمی بسیار دشوار است زیرا اندک انرژی محیط می‌تواند منجر به فروپاشی کیوبیت‌ها و تجزیه‌ی آنها به بیتهای معمولی و بسیار پرهزینه شود. در چنین شرایطی فقط قبل از فروپاشی وضعیت کوانتومی می‌توان به اجرای یک مجموعه از عملیات کوانتومی یا گیت پرداخت. محصورکردن تعداد زیاد کیوبیت منجر به فروپاشی سیستم می‌شود. هر کیوبیت اضافه، پیچیدگی ماشین را دو برابر خواهد کرد؛ بنابراین لازم است پالس‌های الکترومغناطیسی که مسئولیت کنترل سیستم را دارند به شکل بی‌نقصی تنظیم شوند.
تهیه کننده : fatemeh_goodarzi2499
دیدگاهتان را بنویسید
برای نوشتن دیدگاه باید وارد بشوید.