کامپیوتر کوانتومی چیست و آیا به زودی می توانیم آن را بخریم؟
کامپیوتر کوانتومی اصطلاحی است که اخیرا توجه بسیاری را به خود جلب کرده و هر ساله سرمایه گذاری های بیش تری به آن اختصاص داده می شود. اگر چه عموم مردم از فعالیت محققین در تحقق بخشیدن این ایده اطلاع دارند اما خیلی از آن ها حقیقتا با پیچیدگی ها و اصول کارکرد آن آشنایی ندارند. هدف از این نوشته فراهم کردن اطلاعات پایه از قوانین موجود در این علم، مشکلات موجود در آن و راه حل ها برای غلبه بر این مشکلات، می باشد.
اصولا محاسبات کوانتومی، استفاده از پدیده مکانیک کوانتوم مثل برهم‌نهی و درهم‌تنیدگی برای اجرای محاسبات است.
رشته محاسبات کوانتومی در واقع یک رشته از علم اطلاعات کوانتوم است که شامل رمزنگاری کوانتومی و ارتباط کوانتومی می شود. محاسبات کوانتومی در اوایل دهه ۸۰ میلادی آغاز گردید، زمانی که ریچارد فیمن و یوری مانین ایده این که کامپیوترهای کوانتومی قادر به انجام کارهایی هستند که کامپیوترهای امروزی در انجام آن عاجزاند، را مطرح کردند.
در سال ۱۹۹۴ پیتر شور الگوریتمی که به صورت کارآمدتری قادر به حل برخی از مسائل استفاده شده در رمزنگاری نامتقارن بود، را توسعه داد. حل این مسائل برای کامپیوترهای کلاسیک بسیار مشکل است.
در حال حاضر دو روش برای به کار بردن یک کامپیوتر کوانتومی وجود دارد: آنالوگ و دیجیتال. روش های آنالوگ خود به شبیه سازی کوانتومی، انلینگ کوانتومی و محاسبات آدیاباتیک کوانتومی تقسیم می شوند.
کامپیوترهای کوانتومی دیجیتال از گیت های منطقی کوانتومی برای محاسبات استفاده می کنند (یک گیت منطقی کوانتومی یک مدار کوانتومی اولیه است که روی تعداد کمی از کیوبیت ها عمل می کند. این گیت ها مشابه گیت های منطقی کامپیوترهای معمولی هستند). هر دو روش آالوگ و دیجیتال از بیت های کوانتومی یا کیوبیت ها استفاده می کنند.
کیوبیت ها یا بیت کوانتومی واحد پایه‌ای پردازش کوانتومی و رمزنگاری کوانتومی بوده و به گونه ای مشابه بیت ها در کامپیوترهای کلاسیک هستند.
کیوبیت ها می توانند در یک حالت کوانتومی ۰ یا ۱ باشند اما آن ها همچنین می توانند در حالت برهم‌نهی ۰ و ۱ نیز قرار بگیرند. هرچند هنگامی که کیوبیت ها اندازه گیری می شوند، نتیجه همیشه ۰ یا ۱ است؛ این دو احتمال به حالت کوانتومی آن ها بستگی دارد.
اما این امر چگونه ممکن خواهد بود. برای درک بهتر این موضوع مثال بسیار معروفی به نام آزمایش گربه‌ی شرودینگ وجود دارد.
یک گربه ی خیالی را در جعبه ای محصور فرض کنید. گربه روبروی یک تفنگ قرار گرفته که به یک شمارشگر گایگر متصل می باشد که به نوبه ی خود با قطعه ای اورانیوم در تماس است.
اتم اورانیوم ناپایدار است و دچار فروپاشی رادیو اکتیو می شود. اگر یک هسته اورانیوم فرو پاشد، توسط شمارشگر گایگر شناسایی می گردد که در این صورت ماشه ی تفنگ کشیده و گلوله شلیک می شود و باعث مرگ گربه می شود.
برای دریافتن اینکه گربه زنده است یا مرده، باید جعبه را باز کرده و گربه را مشاهده کنیم. اما وضعیت گربه توسط تابع موجی توصیف می گردد که توصیف کننده مجموع یک گربه زنده و یک گربه مرده است.
از نظر شرودینگر تصور گربه هایی که نه مرده هستند و نه زنده، بسیار مضحک است. ولی با این وجود اثبات تجربی مکانیک کوانتومی ما را وادار به این نتیجه گیری می کند. تاکنون، تمامی آزمایش های تجربی درستی نظریه ی کوانتوم را ثابت کرده اند (برگرفته از وبسایت بیگ بنگ پیج). اما بگذارید به بحث کامپیوترهای کوانتومی برگردیم.
کامپیوترهای کوانتمی امروزی بسیار پر سر و صدا هستند و اصلاح خطای کوانتومی یک زمینه تحقیق در حال رشد است. متاسفانه، سخت افزارهای موجود به قدری پر سر و صدا هستند که محاسبه تلرانس خطای کوانتومی هنوز یک رویا محسوب می شود.
تا آپریل سال ۲۰۱۹، هیچ سخت افزار کوانتومی مقیاس پذیر نمایش داده نشده و هیچ گونه الگوریتم قابل استفاده ای به صورت تجاری برای کامپیوترهای کوانتومی کوچک و پر سر و صدای امروزی ساخته نشده است.
امروزه سرمایه گذاری روی محاسبات کوانتومی توسط دولت ها، شرکت ها و استارتاپ ها رو به افزایش است و هدف ساخت دستگاه های با مقیاس متوسط و تمرکز بیشتر روی کوانتوم به صورت فعالی در تحقیقات آکادمیک و صنعتی امروز دنبال می شود.
یک کامپیوتر کوانتومی برخی از رمزآلودترین پدیده های مکانیک کوانتوم را تحت کنترل خود قرار قرار می دهد تا جهش بزرگی را در قدرت پردازش ارائه دهد. ماشین های کوانتومی از قدرتمندترین ابرکامپیوترهای امروزی و حتی آینده سبقت خواهند گرفت.
البته کامپیوتر کوانتومی ، کامپیترهای معمولی امروزی را کاملا کنار نخواهد زد. استفاده از کامپیوترهای کلاسیک هنوز آسان ترین و اقتصادی ترین راه حل برای غلبه بر مسائل امروزی است.
اما کامپیوتر کوانتومی ویژگی های هیجان انگیزی را در رشته های مختلف مانند علم مواد و داروسازی در اختیار محققین قرار می دهد. هم اکنون برخی از شرکت ها از این کامپیوترها در توسعه باتری های سبک تر و قدرتمدتر برای ماشین های برقی و یا کمک در ساخت داروهای جدید استفاده ی کنند.
کیوبیت ها
کامپیوترهای امروزی از بیت ها (یک رشته از پالس های الکتریکی یا نوری نشان دهنده ۰ و ۱) استفاده می کنند. هر چیزی از موزیک، بازی، ویدئو و غیره رشته های بلند از این ارقام باینری هستند.
از طرفی دیگر، کامپیوترهای کوانتومی از کیوبیت ها که ذراتی زیر اتمی مانند الکترون ها یا پروتون ها هستند، استفاده می کنند. ایجاد و مدیریت کیوبیت ها چالشی علمی و مهندسی است. بعضی از شرکت ها، مانند IBM، Google و Rigetti Computing از مدارهای ابررسانای خنک شده در دمایی پایین تر از اعماق فضا استفاده می کنند.
شرکت های دیگر مانند IonQ اتم ها را در میدان های الکترومغناطیس روی تراشه های سیلیکونی در اتاق های با خلاء بالا حبس می کنند. در هر دو مورد، هدف ایزوله کردن کیوبیت ها در یک حالت کوانتومی کنترل شده می باشد.
کیوبیت ها ویژگی هایی دارند که در آن یک گروه متصل به هم از این کیوبیت ها می تواند قدرت پردازشی بسیار بالاتری در مقایسه با همان تعداد بیت های باینری داشته باشد. یکی از این ویژگی ها به عنوان برهم‌نهی و دیگری درهم‌تنیدگی نامیده می شود.
برهم‌نهی کیوبیت
کیوبیت ها می توانند ترکیب های احتمالی متعددی از ۰ و ۱ را همزمان نشان دهند. توانایی قرار گرفتن در چندین حالت به طور همزمان برهم‌نهی نام دارد. برای قرار دادن کیوبیت ها در حالت برهم‌نهی، محققین با استفاده از لیزرهای دقیق یا پرتوهای مایکروویو آن ها را دستکاری می کنند.
۰یک کامپیوتر کوانتومی دارای چندین کیوبیت در حالت برهم‌نهی، می تواند تعداد وسیعی از نتایج را به طور همزمان نشان دهد.
درهم‌تنیدگی کوانتومی
به کمک درهم‌تنیدگی کوانتومی محققین می توانند جفت هایی از کیوبیت ها را ایجاد کنند. این بدین معناست که دو عضو از یک جفت در یک حالت کوانتومی وجود دارد. تغییر در حالت یکی از کیوبیت ها بلافاصله حالت دیگری را تغییر می دهد. این اتفاق حتی اگر این دو با فاصله زیادی از هم قرار داشته باشند نیز صادق است.
هیچ کس واقعا نمی داند که درهم‌تنیدگی چرا و چگونه عمل می کند. این پدیده حتی انیشتین را نیز سر در گم ساخت. انیشتین این پدیده را “عملی شبه‌وار در یک فاصله” نامید. اما این پدیده برای قدرت کامپیوترهای کوانتومی ضروری است. در یک کامپیوتر معمولی دو برابر کردن تعداد بیت ها قدرت پردازش را دو برابر می کند. اما به کمک درهم‌تنیدگی، افزودن کیوبیت ها در یک کامپیوتر کوانتومی قدرت آن را به صورت نمایی افزایش می دهد.
کامپیوترهای کوانتومی از کیوبیت های درهم‌تنیده به صورت نوعی زنجیره دیزی کوانتومی برای انجام محاسبات استفاده می کند. کلید دستیابی به پتانسیل بالای افزایش سرعت در این ماشین ها استفاده از الگوریتم های کوانتومی طراحی شده می باشد.
هر چند ویژگی های کامپیوترهای کوانتومی کاملا مشهود است اما خبر بد این است که این کامپیوترها به دلیل بی نظمی کوانتومی بسیار بیشتر از کامپیوترهای معمولی مستعد خطا هستند.
بی نظمی کوانتومی
فعل و انفعال کیوبیت ها با محیط خود که سبب زوال و در نهایت محو شدن رفتار کوانتومی می شود، بی نظمی نامیده می شود. حالت کوانتومی آن ها بی نهایت شکستنی است. کوچک ترین لرزش یا تغییر در دما می تواند سبب از بین رفتن حالت برهم‌نهی شده و مانع به درستی عمل نمودن سیستم شود. به همین خاطر محققین تمام تلاش خود را برای محافظت کیوبیت ها از جهان بیرون در آن اتاق های فوق سرد خلاء می کنند.
اما با وجود تمام تلاش ها هنوز اختشاشات موجب بروز خطاهای بسیاری در محاسبات می شود. الگوریتم های کوانتومی هوشمند و افزودن کیوبیت های بیشتر می تواند به جبران بعضی از این خطاها کمک کند. اگر چه برای محقق شدن این امر به هزاران کیوبیت نیاز است.
برتری کوانتومی
با وجود اشکالات بی نظمی کوانتومی، هدف تمام شرکت ها و محققین که در این زمینه فعالیت می کنند دستیابی به برتری کوانتومی است. این نقطه ای است که در آن یک کامپیوتر کوانتومی می تواند محاسبات ریاضی را فراتر از توان قدرتمندترین ابرکامپیوترهای کلاسیک انجام دهد.
هنوز دقیقا مشخص نیست برای رسیدن به این هدف به چه مقدار کیوبیت نیاز است. زیرا همچنان محققین به دنبال یافتن الگوریتم های جدید برای ارتقاء عملکرد کامپیوترهای کلاسیک بوده و سخت افزارها در حال بهتر شدن هستند.
استفاده از محاسبات کوانتومی در حال حاضر
یکی از کاربردهای کامپیوتر کوانتومی شبیه سازی رفتار مواد در سطح مولکولی است. کارخانه های ماشین سازی مانند Volkswagen و Daimler از کامپیوتر کوانتومی برای شبیه سازی ترکیب شیمیایی باتری های ماشین های برقی و برای کمک به یافتن راهی جدید برای بهبود عملکرد آن ها استفاده می کنند. شرکت های داروسازی در حال بهره برداری از این سیستم ها در تحلیل و مقایسه ترکیباتی که ممکن است به ساخت داروهای جدید منجر شود، هستند.
نوشته های مرتبط:
کاربردهای شگفت انگیز تکنولوژی کوانتومی
چگونه کامپیوترها از ابعاد یک خانه به کوچکی یک ناخن رسیدند؟
یکی دیگر از توانایی های این کامپیوترها در بهینه سازی مسائل است زیرا این کامپیوترها می توانند بسیار سریع، راه حل های احتمالی را در ابعاد وسیعی بررسی نمایند. برای مثال ایرباس، از کامپیوترهای کوانتومی برای کمک به محاسبه بهینه ترین مصرف سوخت در مسیر سعود و یا نزول هواپیماها استفاده می کنند. Volkswagen اعلام کرده است که سرویسی را ارائه می دهد که به کمک آن بهینه ترین مسیر برای اتوبوس ها و تاکسی ها برای جلوگیری از ازدهام ماشین ها به دست می آید.
برای رسیدن کامپیوترهای کوانتومی به پتانسیل بالای خود به چند سال دیگر زمان نیاز است. در حال حاضر دانشگاه ها و تجارت های درگیر در این زمینه با کمبود نیروی متخصص مواجه هستند. اگر این ماشین های جدید به توانایی هایی که از آن ها انتظار می رود برسند، می توانند عصر جدیدی از اختراعات و تغییراتی اساسی در صنایع را رقم بزنند.
باز نشر مطالب سایت بدون ذکر نام و لینک فعال مطلب سایت پیتونیک ممنوع است و شامل پیگرد قضایی می شود.
مراجع
سایت علمی بیگ بنگ
