آشنایی با کامپیوتر کوانتومی

رایانهٔ کوانتومی ماشینی است که از پدیده‌ها و قوانین مکانیک کوانتوم مانند برهم نهی (Superposition) و درهم تنیدگی (Entanglement) برای انجام محاسباتش بهره می گیرد. کامپیوتر کوانتومی با کامپیوترهای فعلی که باترانزیستورها کار می کنند تفاوت اساسی دارند.

ایده اصلی که در پس کامپیوتر کوانتومی نهفته است این است که می توان از خواص و قوانین فیزیک کوانتوم برای ذخیره‌سازی و انجام عملیات روی اطلاعات استفاده کرد.

یک مدل تئوریک و انتزاعی از این ماشین ها، ماشین تورینگ کوانتومی (Quantum Turing Machine) است که کامپیوتر کوانتومی جهانی (Universal Quantum Computer) نیز نامیده می شود.

اگر چه محاسبات کوانتومی تازه در ابتدای راه قرار دارد، اما آزمایش هایی انجام شده که در طی آنها عملیات محاسبات کوانتومی روی تعداد بسیار کمی از کیوبیت ‌ها (qubit) اجرا شده است.

تحقیقات نظری و عملی در این زمینه ادامه دارد. بسیاری از موسسات دولتی و نظامی از تحقیقات در زمینه کامپیوترهای کوانتومی چه برای اهداف غیرنظامی و چه برای اهداف امنیتی (مثل تجزیه و تحلیل رمز، Cryptanalysis) حمایت می کنند.

اگر کامپیوتر کوانتومی در مقیاس بزرگ ساخته شوند، می توانند مسائل خاصی را با سرعت خیلی زیاد حل کنند (برای مثال الگوریتم شُور، Shor’s Algorithm). البته باید توجه داشت که توابعی که توسط کامپیوترهای کلاسیک محاسبه پذیر (Computable) نیستند، توسط کامپیوترهای کوانتومی نیز محاسبه پذیر نخواهند بود.

این کامپیوترها نظریه Church–Turing را رد نمی کنند. کامپیوترهای کوانتومی برای ما تنها سرعت بیشتر را به ارمغان می آورند.

حتما بخوانید:  آشنایی با مفهوم تکنولوژی

نقاط کوانتومی

تعریف ساده نقطه کوانتومی این است که یک ذره مادی بسیار کوچک، که افزایش یا کاهش یک الکترون خواص آن را به نحو ارزشمندی تغییر دهد. البته اتم‌ها نقطه کوانتومی محسوب می‌شوند، ولی توده‌های چندمولکولی نیز چنین‌اند.

در زیست‌شیمی، نقاط کوانتومی گروه‌های اکسیداسیون احیا خوانده می‌شوند. در نانو تکنولوژی به آنها بیت ‌های کوانتومی یا کیو بیت (qubit) گفته می‌شود.

نانو ذرات فلورسنت، که تا پیش از تابش ماوراءبنفش نامرئی هستند، ساختار نانو بلوری قادر به تغییر رنگ، از دیگر تعاریف آنهاست. نقاط کوانتومی از دیگر مواد فلورسنت انعطاف بیشتری دارد. لذا استفاده از آن‌ها در ساخت کامپیوترهای نانو مقیاس استفاده کننده از نور برای پردازش اطلاعات مناسب است.

اصول کامپیوتر کوانتومی

رویای محاسبات ماشینی که بتواند مسائل را در اشکال گوناگون حل کند، کمتر از دو قرن است که زندگی بشر را به طور جدی در بر گرفته است.

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 در سایر علوم رشد کرد.

آنچه امروزه آنرا دانش کامپیوتر و یا الکترونیک دیجیتال می نامیم مرهون و مدیون کار ریاضیدان برجسته انگلیسی به نام «آلن تورینگ» (Alan Turing) است. وی مدلی ریاضی را ابداع کرد که آنرا ماشین تورینگ می نامیم و اساس تکنولوژی دیجیتال در تمام سطوح آن است.

وی با پیشنهاد استفاده از سیستم دودویی برای محاسبات به جای سیستم عدد نویسی دهدهی که تا آن زمان در ماشین‌های مکانیکی مرسوم بود، انقلابی عظیم را در این زمینه بوجود آورد. پس از نظریه طلایی تورینگ، دیری نپایید که «جان فون نویمان» یکی دیگر از نظریه پردازان بزرگ قرن بیستم موفق شد ماشین محاسبه گری را بر پایه طرح تورینگ و با استفاده از قطعات و مدارات الکترونیکی ابتدایی بسازد.

به این ترتیب دانش کامپیوتر بتدریج از ریاضیات جدا شد. امروزه خود زمینه ای مستقل و در تعامل با سایر علوم به شمار می رود. گیتهای پیشرفته، مدارات ابر مجتمع، منابع ذخیره و بازیابی بسیار حجیم و کوچک، افزایش تعداد عمل در واحد زمان و غیره از مهم‌ترین این پیشرفت ها در بخش سخت افزاری محسوب می شوند.

کوچک کردن ترازیستورها و مجتمع کردن آنها در فضای کمتر نمی تواند تا ابد ادامه داشته باشد زیرا در حدود ابعاد نانو متری اثرات کوانتومی از قبیل تونل زنی الکترونی بروز می کنند.

حتما بخوانید: وبمستر بینگ چیست؟

محاسبات کوانتومی

کامپیوتر تنها بخشی از دنیایی است که ما آنرا دنیای دیجیتالی می نامیم. پردازش ماشینی اطلاعات، در هر شکلی، بر مبنای دیجیتال و محاسبات کلاسیک انجام می شود.

گرچه محاسبات دانشی است که اساس تولد آن در ریاضیات بود، اما کامپیوترها سیستم هایی فیزیکی هستند. فیزیک در آینده این دانش نقش تعیین کننده ای خواهد داشت. البته وجود تفاوت بین این دو به معنای حذف یکی و جایگزینی دیگری نیست.

بنابراین محاسبات کوانتومی را به عنوان یک زمینه و روش جدید و بسیار کارآمد مطرح می کنیم. وجود چند پدیده مهم که مختص فیزیک کوانتومی است، آنرا از دنیای کلاسیک جدا می سازد.

این پدیده‌ ها عبارتند از: بر هم نهی (Superposition)، تداخل (Interference)، Entanglement، عدم جبرگرایی (Non Determinism)، ناجایگزیدگی (Non Locality) و تکثیر ناپذیری (No Cloning). برای بررسی اثرات این پدیده‌ها در این روش جدید، لازم است که ابتدا واحد اطلاعات کوانتومی را معرفی کنیم.

در محاسبات کلاسیک این واحد ساختاری را بیت (bit) می نامیم که گزیده واژه «عدد دودویی» است. زیرا می تواند 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 می شوند. پس سیستم هایی هم که برای این مدل وجود دارند باید بتوانند به نوعی این مفهوم را عرضه کنند. در محاسبات کوانتومی هم چنین پایه ای معرفی می‌شود که آنرا کیوبیت (qubit) یا بیت کوانتومی می نامیم.

در فیزیک کلاسیک برای نگه داری یک بیت از حالت یک سیستم فیزیکی استفاده می شود. سیستم‌های کلاسیکی اولیه (کامپیوترهای مکانیکی) از موقعیت مکانی دندانه‌های چند چرخ دنده برای نمایش اطلاعات استفاده می شد.

پیشنهاد مطالعه: کتاب محاسبات آماری با کامپیوتر

توانایی و قدرت محاسبات کامپیوتر کوانتومی

بین کامپیوترهای کلاسیک و کامپیوتر کوانتومی نسل آینده تفاوت اساسی وجود دارد. یک کامپیوتر کلاسیک بر اساس قوانین فیزیک کلاسیک، دستورات از پیش تعیین شده ای را اجرا می‌کند. اما یک کامپیوتر کوانتومی دستگاهی است که یک پدیده فیزیکی را بر اساس مکانیک کوانتومی به صورت منحصر به فردی در می آورد.

در یک کامپیوتر معمولی اطلاعات به صورت یک سری بیت کد گذاری می شوند. این بیت‌ها از طریق گیتهای منطقی بولین که سری هستند برای نتیجه نهایی دستکاری می شوند. به طور مشابه یک کامپیوتر کوانتومی، کیوبیت‌ها یا بیت‌های کوانتومی را با اجرای یک از گیت‌های کوانتومی دستکاری می کند. هر واحد انتقال بر روی یک تک کیوبیت یا یک جفت کیوبیت عمل می کند.

با به کار بردن این کمیت‌های متوالی، یک کامپیوتر کوانتومی می تواند یک واحد انتقال پیچیده از طریق مجموعه ای از کیوبیت‌ها را در بعضی حالات ابتدایی ایجاد کند. در یک رایانه کوانتومی به جای استفاده از ترانزیستورها و مدارهای رایانه ای معمولی از اتم‌ها و سایر ذرات ریز برای پردازش اطلاعات استفاده می شود.

یک اتم می تواند به عنوان یک بیت حافظه در رایانه عمل کند و جابجایی اطلاعات از یک محل به محل دیگر نیز توسط نور امکان می پذیرد.

ذخیره اطلاعات در رایانه‌ها به صورت سری هایی از بیت‌های با حالت‌های روشن و خاموش صورت می گیرد. 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 می شوند.

پیاده سازی

در سال ۲۰۱۱ شرکت کامپیوتری D-Wave Systems اولین کامپیوتر کوانتومی قابل عرضه در بازار را معرفی کرد. این کامپیوتر D-Wave One نام دارد و از یک پردازنده ۱۲۸ کیو بیتی بهره می گیرد. گرچه تعدادی از محققین، در مورد عملکرد این کامپیوتر ابراز شک و تردید کردند.

با دریافت « مشاوره برنامه‌نویسی، وب و سئو » از کارشناسان جوان حرفه‌ای و باتجربه ساکوراد؛ موفقیت کسب و کار، رونق فروش و افزایش درآمد خود را تضمین کنید!

و اما کلام آخر…

اگرچه کامپیوترهای کوانتومی هنوز در مراحل اولیه توسعه خود هستند، اما پتانسیل آنها برای تغییر دنیای فناوری اطلاعات غیرقابل انکار است. تحقیقات و توسعه در این زمینه ادامه دارد و انتظار می‌رود که با پیشرفت فناوری، کاربردهای بیشتری برای این نوع کامپیوترها پیدا شود.