کاروتک

تکنولوژی و علمی

تلویزیون و سینما

تلویزیون کاروتک

کامپیوترهای کوانتومی چیست و چه‌تفاوتی با کامپیوترهای کلاسیک دارد؟ تاریخچه کامپیوترهای کوانتومی چیست؟ در این مطلب قصد داریم به تمامی این سؤالات پاسخ دهیم و به شرح تفاوت این دو کامپیوتر بپردازیم. با ما در کارو تک همراه باشید.

دنیای فیزیک کوانتوم نه‌تنها عجیب و غریب است، بلکه درک آن چالش‌هایی را به‌همراه دارد. به فرمول‌هایی مانند اصل عدم قطعیت هایزنبرگ فکر کنید که در آن نمی‌توانید تکانه و موقعیت هیچ ذره‌ای را هم‌زمان اندازه‌گیری کنید، یا آزمایش‌های فکری مانند گربه شرودینگر که در آن یک گربه در یک جعبه مهروموم شده با یک ماده رادیواکتیو نگه‌داری می‌شود و گربه به‌طور هم‌زمان زنده و مرده است، یا حتی پدیده‌هایی مانند درهم تنیدگی کوانتومی که در آن دو ذره کوانتومی بدون توجه به فاصله، می‌توانند به‌نوعی درهم تنیده باقی بمانند. همه این ویژگی‌ها یا پدیده‌ها پوچ به‌نظر می‌رسند، اما از آنجایی که مکانیک کوانتومی علم احتمالات است، پوچ به‌نظر رسیدن آن یک تفکر منطقی است. راه‌های زیادی برای درک این که چرا شبیه‌سازی مکانیک کوانتومی دشوار است، وجود دارد؛ ساده‌ترین روش این است که ببینیم نظریه کوانتومی را می‌توان این‌گونه تفسیر کرد که ماده در سطح کوانتومی، در بسیاری از پیکربندی‌های ممکن (به عنوان یک حالت) قرار دارد یا خیر. برخلاف تئوری احتمالات کلاسیک، این پیکربندی‌های بسیار از حالت‌های کوانتومی، به‌طور بالقوه قابل مشاهده هستند و ممکن است مانند امواج در یک استخر جزر و مد با یکدیگر تداخل داشته باشند. این تداخل از نمونه‌گیری آماری برای به‌دست آوردن تنظیمات حالت کوانتومی جلوگیری می‌کند. در عوض، اگر بخواهیم تکامل کوانتومی را درک کنیم، باید هر پیکربندی ممکنی را که یک سیستم کوانتومی می‌تواند در آن باشد، ردیابی کنیم.

در دنیای بسیار کوچک، جایی که جنبه‌های ذره‌ای و موجی واقعیت به یک اندازه مهم هستند، هیچ چیزی که‌گونه‌ای رفتار نمی‌کند تا بتوانیم از تجربه‌مان از دنیای روزمره درکی داشته باشیم… همه عکس‌ها نادرست هستند و ما هیچ تشبیه فیزیکی نداریم که درک کند درون اتم‌ها چه می‌گذرد. اتم‌ها مانند اتم‌ها رفتار می‌کنند، نه چیز دیگری.

-جان گریبین، در جستجوی گربه شرودینگر: فیزیک کوانتومی و واقعیت

تاریخچه

مکانیک کوانتومی بین سال‌های ۱۹۰۰ و ۱۹۲۵ توسعه یافت و هم‌چنان سنگ بنای شیمی، فیزیک متراکم ماده و فناوری‌های مختلف از تراشه‌های کامپیوتری گرفته تا نورپردازی LED را دربرمی‌گیرد. کامپیوترهای کوانتومی در دهه ۱۹۸۰ توسط ریچارد فاینمن و یوری مانین پیشنهاد شدند. شهود محاسبات کوانتومی، ناشی از چیزی است که اغلب به‌عنوان یکی از بزرگ‌ترین شرمساری‌های فیزیک تلقی می‌شد: پیشرفت علمی چشمگیر با ناتوانی در مدل‌سازی حتی سیستم‌های ساده. در سال ۱۹۶۷، رومن استانیسلاو اینگاردن از دانشگاه نیکلاس کوپرنیک در تورونِ لهستان، یکی از اولین تلاش‌ها را برای ایجاد یک نظریه اطلاعات کوانتومی منتشر کرد.

در سال ۱۹۸۰، پل بنیوف از آزمایشگاه ملی آرگون مقاله‌ای را منتشر کرد که در آن مدل مکانیکی کوانتومی یک ماشین تورینگ یا یک کامپیوتر کلاسیک را توصیف می‌کرد که اولین موردی بود که امکان محاسبات کوانتومی را نشان می‌داد. در سال ۱۹۸۱، ریچارد فاینمن از مؤسسه فناوری کالیفرنیا، در یک سخنرانی کلیدی با عنوان شبیه‌سازی فیزیک با رایانه، استدلال کرد که یک رایانه کوانتومی پتانسیل شبیه‌سازی پدیده‌های فیزیکی را دارد که یک رایانه کلاسیک نمی‌تواند شبیه‌سازی کند. این اولین باری بود که اصطلاح کامپیوتر کوانتومی رسماً معرفی شد. به دنبال آن، در سال ۱۹۹۴، پیتر شور از آزمایشگاه‌های بل، یک الگوریتم کوانتومی برای فاکتورسازی اعداد صحیح ایجاد کرد که پتانسیل رمزگشایی ارتباطات رمزگذاری‌شده با RSA را دارد؛ روشی که به‌طور گسترده برای ایمن‌سازی انتقال داده‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد.

محاسبات کوانتوم، شاخه‌ای از علوم کامپیوتر است که بر اصول برهم‌نهی ماده و درهم‌تنیدگی کوانتومی استوار است و از روش محاسباتی متفاوت از روش کلاسیک استفاده می‌کند. کامپیوترهای کوانتومی بسیار متفاوت‌تر از هر چیزی که برای چندین دهه از کامپیوترها می‌دانستیم، متفاوت به‌نظر می‌رسند. این فناوری روی استفاده از بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت‌ها، واحد‌های اطلاعات متمرکز است. برخلاف عناصر باینری اصلی رایانه‌های کلاسیک، مدارهایی که صفر یا یک را نشان می‌دهند، کیوبیت‌ها می‌توانند هر دو را به‌شکل هم‌زمان به‌نمایش بگذارند.

در یک سطح بسیار ابتدایی، یک ولتاژ بالا در یک ترانزیستور یا یک گیت نشان‌دنده ۱ و ولتاژ پایین نشان‌دهنده 0 است؛ این‌گونه است که بیت‌ها ساخته می‌شوند. از سوی دیگر، بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت‌ها توسط برهم‌نهی یا درهم‌تنیدگی ذرات کوانتومی ساخته می‌شوند و از این رو محاسبات کوانتومی  را اساساً با محاسبات کلاسیک متفاوت می‌کنند. کیوبیت‌ها شماره ۲ را به‌توان N عدد ذخیره می‌کنند، به این معنی که اگر یک کیوبیت اضافه شود (N تبدیل به N+1 شود)، فضای ذخیره‌سازی دو برابر می‌شود و در نتیجه رشد‌نمایی می‌شود. این به‌قدرت محاسباتی قابل توجهی تبدیل می‌شود و در نتیجه محاسبات کوانتومی را بسیار قدرتمند‌تر از محاسبات کلاسیک می‌کند.

مانند یک کامپیوتر کلاسیک، گیت‌های Logic یا منطقی در این سیستم وجود دارد، اما آن‌ها یک تفاوت اساسی را به‌خود اختصاص می‌دهند؛ منطق کوانتومی باید غیراتلاف‌کننده باشد بنابراین شما نمی‌توانید گیت‌های منطقی کلاسیک سه‌پورت مانند OR یا ANDv ا داشته باشید. در عوض، به یک گیت غیر اتلاف‌پذیر مانند گیت NOT (یا CNOT) با چهار پورت نیاز دارید. برای ساختن یک کامپیوتر کوانتومی جهانی که شبیه منطق کلاسیک مورد نیاز برای ماشین تورینگ جهانی است، تنها به‌ مجموعه‌ای حداقلی از گیت‌های منطقی کوانتومی نیاز دارید. همان‌طور که یک کامپیوتر کوانتومی می‌تواند چندین عدد را در یک زمان ذخیره کند، بنابراین می‌توانید آن‌ها را به‌طور هم‌زمان پردازش کند. به جای کار در سریال (انجام یک سری کار‌ها در یک زمان و یک سکانس)، می‌تواند به‌صورت موازی کار کند. تنها زمانی که سعی می‌کنید در هر لحظه دریابید که واقعاً در چه وضعیتی است‌ (به عبارت دیگر، اندازه‌گیری آن)، به یکی از حالت‌های احتمالی درهم می‌ریزد؛ این به یک راه‌حل برای مشکلات ارائه می‌دهد. یک دروازه منطق کوانتومی روی یک حالت کوانتومی عمل می‌کند تا آن را با توجه به برخی شرایط تبدیل کند. این شرط می‌تواند یک تنظیم محلی باشد یا می‌تواند به وضعیت کیوبیت دیگری بستگی داشته باشد. وجود چندین دروازه منطقی، شرطی بسیار مهم است چارکه اطلاعات کوانتومی می‌توانند برهم‌کنش داشته باشند و در نتیجه بر تکامل کل سیستم کوانتومی تأثیر بگذارند.

چرا ساخت یک کامپیوتر کوانتومی چالش‌برانگیز است؟

چندین دلیل برای این وجود دارد. برخلاف کامپیورتهای کلاسیک، ساخت کامپیوترهای کوانتومی به‌این سادگی نیست. ساخت یک کامپیوتر کوانتومی به‌سادگی به‌معنای ساخت شبکه‌های پیچیده‌ای از عناصر منطقی است. اگر اندازه‌گیری را کنار بگذاریم، مکانیک کوانتومی قطعی است. این بدان معنا است که هر حالت کوانتومی آینده را می‌توان براساس وضعیت فعلی پیش‌بینی کرد. اندازه‌گیری نمی‌تواند تمام اطلاعات را در یک کیوبیت نشان دهد. در طراحی یک الگوریتم کوانتومی باید کارهایی را که می‌توانید انجام دهید در نظر بگیرد تا اندازه‌گیری با آن‌چه می‌خواهید، مطابقت داشته باشد. از این رو، این یکی از دلایل اصلی برای چالش‌برانگیز بودن ساخت کامپیوتر کوانتومی است. هر اندازه‌گیری، تابع موج را از بین می‌برد و اطلاعات کوانتومی را از دست می‌دهد، بنابراین کامپیوتر کوانتومی باید در برابر اندازه‌گیری تصادفی یا ناخواسته مقاوم باشد.

اجزای اصلی یک کامپیوتر کوانتومی

دانشمندان کامپیوتر ذرات میکروسکوپی را که به‌عنوان کیوبیت عمل می‌کنند را با استفاده از ابزارهای کنترلی، مدیریت می‌کنند.

• تله‌های یونی در این کامپیوترها از میدان‌های نوری یا مغناطیسی (یا ترکیبی از هر دو) برای به‌دام انداختن یون‌ها استفاده می‌کنند.
• تله‌های نوری از امواج نور برای به‌دام انداختن و کنترل ذرات استفاده می‌کنند.
• نقاط کوانتومی از مواد نیمه‌هادی ساخته شده‌اند و برای نگه‌داری و دستکاری الکترون‌ها استفاده می‌شوند.
• ناخالصی‌های نیمه‌هادی با استفاده از اتم‌های «ناخواسته» موجود در مواد نیمه‌هادی حاوی الکترون هستند.
• مدارهای ابررسانا به‌ الکترون اجازه می‌دهند که تقریباً بدون مقاومت در دماهای بسیار پایین جریان داشته باشند.

برنامه‌های کاربردی چیست؟

اگر بتوان کامپیوترهای کوانتومی کاربردی ساخت، در فاکتورگیری اعداد بزرگ ارزشمند خواهند بود و بنابراین برای رمزگشایی و رمزگذاری اطلاعات مخفی بسیار مفید خواهند بود. رایانه‌های کوانتومی همچنین می‌توانند برای جستجوی پایگاه‌های داده بزرگ در کسری از زمانی که توسط کامپیوترهای کلاسیک انجام می‌شوند، مورد استفاده قرار بگیرند. کاربردهای دیگر می‌تواند شامل استفاده از کامپیوترهای کوانتومی برای مطالعه مکانیک کوانتومی یا حتی طراحی سایر کامپیوترهای کوانتواست. محاسبات کوانتومی هنوز در مراحل اولیه توسعه خود است و بسیاری از دانشمندان کامپیوتر معتقدند که فناوری مورد نیاز برای ایجاد یک کامپیوتر کوانتومی عملی سال‌ها دیگر است. کامپیوترهای کوانتومی باید حداقل چند ده کیوبیت داشته باشند تا بتوانند مسائل دنیای واقعی را حل کنند. در سال ۲۰۱۹، شعبه محاسبات ابری AWS آمازون سرویسی به نام Braket ا معرفی کرد که به کاربران خود امکان دسترسی به شبیه‌سازهای محاسباتی کوانتومی مبتنی بر ماشین‌هایی را می‌دهد که توسط سه شرکت پیشرفته lonQ، D-wave و Rigletti درحال توسعه هستند. پلتفرم ابری Azure مایکروسافت یک سرویس رقیب به‌نام آژور کوانتوم ارائه می‌دهد درحالی‌که وب‌سایت کوانتوم AI، دسترسی به تحقیقات و منابع خود را ارائه می‌دهد.