رایانه

کامپیوتر کوانتومی چگونه کار میکند

کامپیوتر کوانتومی ازبرخی پدیده های عجیب و غریب مکانیک کوانتومی کمک می گیرد تا جهش هایی عظیم را در قدرت پردازش خود ارائه کند. ماشین های کوانتومی حتی از توانمندترین ابر رایانه های امروز و فردا پیشی خواهند گرفت.

اما این اتفاق برای کامپیوترهای معمولی نمی افتد. استفاده از این دستگاه های کلاسیک، آسانترین و اقتصادی ترین راه حل برای مقابله با اکثر مشکلات خواهد بود. به هر صورت رایانه های کوانتومی، نوید بخش پیشرفت هایی مهیج در زمینه های مختلف اند، از علوم مواد گرفته تا تحقیقات دارویی. شرکت ها در حال حاضر از آنها برای آزمایش های خود استفاده می کنند تا مواردی مانند باتری های سبک تر و قدرتمندتر برای اتومبیل های برقی تولید کرده و یا به تولید داروهای جدید کمک کنند.

راز قدرت یک کامپیوتر کوانتومی در توانایی تولید و دستکاری بیت های کوانتومی یا کیوبیت (qubit ) نهفته است.

کامپیوتر کوانتومی شرکت آی بی تم
کامپیوتر کوانتومی شرکت آی بی تم

کیوبیت چیست؟

رایانه های امروز از بیت استفاده می کنند – جریانی از پالس های الکتریکی یا نوری که نمایانگر 1 یا 0 است. همه چیز از توییت ها و نامه های الکترونیکی گرفته تا آهنگ های iTunes و فیلم های یوتیوب، اساساً رشته هایی طولانی از این رقم های باینری است.

از طرف دیگر، رایانه های کوانتومی از کیوبیت استفاده می کنند، که به طور معمول، ذرات زیر اتمی مانند الکترون یا فوتون است. تولید و مدیریت کیوبیت، یک چالش علمی و مهندسی است. برخی از شرکتها مانندIBM ، Google و Rigetti Computingاز مدارهای ابر رسانای خنک شده در دمای سردتر از فضای عمیق (فضای خارج از منظومه شمسی و بدون جاذبه) استفاده می کنند. برخی دیگر مانند IonQ، اتمهای فردی را در میدانهای الکترومغناطیسی، روی تراشه سیلیکون و در محفظه های خلاء بسیار پرقدرت به دام می اندازند. در هر دو مورد، هدف این است که کیوبیت ها در یک حالت کوانتومی کنترل شده باشند.

کیوبیت دارای برخی از ویژگی های کوانتومی عجیب و غریب اند. یک گروه متصل از کیوبیت ها می تواند قدرت پردازش بیشتری نسبت به همان تعداد بیت های باینری فراهم کند. یكی از این خصوصیات به عنوان اجتماع اثرات(superposition) و دیگری به نام در هم تنیدگی(entanglement )شناخته می شوند.

اجتماع اثرات(superposition) چیست؟

کیوبیت ها می توانند چندین ترکیب احتمالی از 1 و 0 را به طور همزمان ارائه دهند. این توانایی حضور همزمان در چندین حالت، superposition نامیده می شود. محققان برای رسیدن به این حالت، کیوبیت ها را با استفاده از لیزرهای دقیق یا پرتوهای مایکروویو، دستکاری می کنند.

به کمک این پدیده غیرعادی، یک کامپیوتر کوانتومی با تعداد چند قطعه، می تواند تعداد زیادی از نتایج بالقوه را به طور همزمان به دست آورد. نتیجه نهایی یک محاسبه فقط پس از اندازه گیری کیوبیت ها به دست می آید که بلافاصله باعث می شود حالت کوانتومی آنها به 1 یا 0 کاهش یابد.

در هم تنیدگی(entanglement ) چیست؟

محققان می توانند جفت کیوبیت هایی درهم تنیده تولید کنند. به این معنی که دو عضو به صورت یک جفت و در یک حالت کوانتومی واحد وجود دارد. تغییر وضعیت یکی از کیوبیت ها، وضعیت عضو دیگر را به شکلی سریع و البته قابل پیش بینی تغییر می دهد. حتی اگر فاصله این دو بسیار زیاد باشد، باز هم تغییر شرایط یک عضو بر عضو دیگر تاثیر می گذارد.

هیچ کس کاملاً نمی داند entanglement چطور یا چرا کار می کند! حتی انیشتین از تعریف آن عاجز بود و این اتفاق را “اقدام شبح وارانه از راه دور” توصیف می کرد! اما به هر صورت، از این خاصیت در رایانه های کوانتومی استفاده می شود. در یک رایانه معمولی، دو برابر کردن تعداد بیت ها، قدرت پردازش آن را دو برابر می کند. اما به لطف entanglement، اضافه کردن کوبیت های اضافی به دستگاه کوانتومی، باعث “افزایش نمایی” در توانایی آن ها می شود.

گسسته شدن چیست؟

تعامل کیوبیت ها با محیط به شکلی که باعث شود رفتار کوانتومی آنها پوسیده شده و در نهایت از بین برود، گسسته شدن (decoherence) نامیده می شود. حالت کوانتومی، کیوبیت ها بسیار شکننده اند. کوچکترین لرزش و یا تغییر در دما – در اصطلاح به این اتفاقات، نویز(noise) گفته می شود. – می تواند باعث شود که کیوبیت ها قبل از اتمام کار، از superposition خارج شود. به همین دلیل است که محققان برای محافظت از کیوبیت ها، از شرایط محیطی بسیار سرد و اتاق های خلاء استفاده می کنند.

اما با وجود تلاش های آنها، نویز هنوز هم باعث می شود اشتباهات زیادی به محاسبات وارد شود. الگوریتم های کوانتومی هوشمند می توانند برخی از این موارد را جبران کرده و افزودن تعداد بیشتری از کیوبیت نیز به شما کمک می کند. با این حال، به احتمال زیاد، به هزاران کوبیت استاندارد برای ایجاد یک واحد بسیار قابل اعتماد، معروف به یک کیوبیت منطقی(logical” qubit)، نیاز داریم. این مسئله، حجم زیادی از ظرفیت محاسباتی یک کامپیوتر کوانتومی را از بین می برد.

تاکنون محققان نتوانسته اند بیش از 128 کوبیت استاندارد تولید کنند. بنابراین ما هنوز سالهای زیادی از ماشین کوانتومی مطلوبمان فاصله داریم

برتری کوانتومی چیست؟

برتری کوانتومی، نقطه ای است که یک کامپیوتر کوانتومی می تواند یک محاسبه ریاضی را انجام دهد که تقریباً قدرتمندترین ابر رایانه قادر به انجام آن نیست.

هنوز مشخص نیست که برای رسیدن به این هدف، چند کیوبیت نیاز است زیرا محققان برای افزایش کارایی ماشین های کلاسیک، الگوریتم های جدیدی پیدا می کنند و سخت افزار ابر رایانه نیز بهبود می یابد. اما محققان و شرکت های زیادی در تلاش اند تا این ایده را به واقعیت تبدیل کنند.

در مورد اینکه چقدر دستیابی به این نقطه عطف مهم خواهد بود، بحث های زیادی وجود دارد. شرکت ها به جای اینکه منتظر اعلام برتری باشند، در حال حاضر آزمایش بر روی رایانه های کوانتومی ساخته شده توسط شرکت هایی مانند IBM ، Rigetti و D-Wave را آغاز کرده اند. شرکت های چینی مانند Alibaba نیز به ماشین های کوانتومی دسترسی دارند. برخی از مشاغل، کامپیوترهای کوانتومی را خریداری می کند، در حالی که برخی دیگر، از رایانه هایی استفاده می کند که از طریق خدمات رایانش ابری در دسترس است.

در چه نقطه ای، استفاده از یک کامپیوتر کوانتومی در اولویت قرار می گیرد؟

یکی از امیدوارکننده ترین کاربردهای رایانه های کوانتومی، برای شبیه سازی رفتار ماده تا سطح مولکولی است. تولیدکنندگان اتومبیل مانند Volkswagen وDaimler از کامپیوترهای کوانتومی برای شبیه سازی ترکیب شیمیایی باتری های وسایل نقلیه الکتریکی استفاده می کنند تا به یافتن راه های جدید برای بهبود عملکرد خود کمک کنند. و شرکتهای داروسازی برای تحلیل و مقایسه ترکیباتی که می تواند به ایجاد داروهای جدید منجر شود، از آنها استفاده می کنند.

این ماشین ها همچنین برای مشکلات بهینه سازی بسیار عالی اند زیرا می توانند خیلی سریع، راه حل های بالقوه را با سرعت زیاد حل کنند. به عنوان مثال، ایرباس از آنها برای کمک به محاسبه کارآمدترین مسیرهای صعود و فرود هواپیما استفاده می کند. برخی محققان همچنین فکر می کنند از این ماشین ها می توان برای سرعت بخشیدن به هوش مصنوعی استفاده کرد.

ممکن است چند سال طول بکشد تا کامپیوترهای کوانتومی بتوانند به پتانسیل کامل خود دست یابند. دانشگاه ها و مشاغلی که روی این ماشین ها تحقیق می کنند، با کمبود محققان ماهر در این زمینه و کمبود در برخی از امکانات مواجه اند. اما اگر این ماشینهای جدید محاسباتی عجیب و غریب به برتری عطف خود یعنی برتری کوانتومی برسند، می توانند کل صنایع و نوآوری جهانی را تغییر دهند.


کامپیوتر کوانتومی، واژه‌ای که این روزها اخبار زیادی از آن به گوش می‌رسد، کامپیوترهای کوانتومی نسل آینده‌ی پردازش‌های کامپیوتری هستند که می‌توانند دنیای فناوری اطلاعات را به‌ کلی دگرگون کنند، در این آموزش از همیار آی‌تی قصد داریم با زبانی ساده شما را با کامپیوترهای کوانتومی و نحوه‌ی عملکرد آن‌ها آشنا کنیم، برای اینکه به خوبی با مفهوم پردازش کوانتومی آشنا شوید و بدانید کامپیوتر کوانتومی چیست تا انتهای این آموزش با ما همراه باشید.

اما قبل از اینکه به سراغ نحوه کار کامپیوترهای کوانتومی برویم لازم است نگاهی به کامپیوترهای معمولی و نحوه‌ی کار آن‌ها بیندازیم.

همه‌ی ما می‌دانیم که پایه و اساس کار کامپیوترهای امروزی بیت‌های منطقی هستند، یعنی 0 و 1 که از کنار هم قرار گرفتن آن‌ها دستورات مختلف رایانه‌ای پدید آمده و پردازنده می‌تواند روی آن‌ها محاسبات مختلفی انجام دهد.

بیت‌ها معمولا به کمک میزان ولتاژ در مدارات مختلف نشان داده می‌شوند، به عنوان مثال ولتاژ 0 نمایان‌گر بیت 0 و ولتاژ 5 نمایان‌گر بیت 1 است (میزان ولتاژ‌ها فرضی بوده و می‌تواند در هر سخت‌افزار متفاوت باشد)

تصویر بالا را در نظر بگیرید، ما در این تصویر 2 بایت مختلف داریم (هر 8 بیت 1 بایت را تشکیل می‌دهد) مجموعه‌ی سمت چپ (10101100) نماینده‌ی عدد 172 و مجموعه‌ی سمت راست (11101100) نماینده‌ی عدد 236 می‌باشد.

هرکدام از این اعداد با توجه به وضعیت سیستم می‌توانند به شکل متفاوتی تفسیر شوند، مثلا یک کارکتر در نرم‌افزار ورد، یک عدد در ماشین حساب، یک دستورالعمل در پردازنده، بخشی از یک موسیقی یا تصویر و… اگر علاقه‌مندید بیشتر با این مکانیزم آشنا شوید و بدانید کامپیوترها چطور با هم صحبت می‌کنند، همین حالا مقاله‌ی زبان باینری را مطالعه کنید!

نکته‌ی مهم در این بخش این است که تنها تغییر یکی از این بیت‌ها کافیست تا عدد تشکیل شده کاملا تغییر کند و در نتیجه مقدار نهایی این مجموعه‌ی بیت نیز متفاوت شود، همانطوری که در تصویر بالا نیز به خوبی مشخص است، تنها با تغییر یک بیت کل عدد به دست آمده متفاوت شد.

تغییر هر کدام از این بیت‌ها باعث تغییر سرنوشت کل مجموعه می‌شود، در کامپیوترهای معمولی هر بیت می‌تواند در لحظه تنها یک مقدار مشخص داشته باشد، یعنی هر بیت در لحظه می‌تواند 0 باشد و یا 1 (تنها یکی از این مقادیر)

وجه تمایز کامپیوترهای کوانتومی و کامپیوترهای معمولی دقیقا در همینجاست، شاید تعجب‌آور باشد، اما باید بدانید کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند در هر لحظه انواع حالات را داشته باشند، یعنی بیت‌های آن‌ها هم برابر با 1 است و هم برابر با 0 که آن‌را Qubit می‌نامند، می‌دانیم شاید کمی گیج شده باشید، برای همین اجازه دهید در ابتدا کمی بیشتر با مفهوم کوانتوم و فیزیک کوانتومی آشنا شویم.

ویژگی کوانتومی اشیا چیست؟

ویژگی کوانتومی بیان می‌کند، یک شی می‌تواند در لحظه چند شی باشد، یا در چندین حالت مختلف باشد!

فرض کنید سکه‌ای را به هوا پرتاب می‌کنید، سکه‌ی در حال چرخش هم می‌تواند شیر باشد و هم خط و تا وقتی به زمین نرسد به هیچ‌وجه نمی‌توانیم درباره‌ی وضعیت آن اظهار نظر کنیم، مثال بسیار معروفی در این زمینه وجود دارد به نام آزمایش گربه‌ی شرودینگر، در ادامه برای درک بهتر مفهوم فیزیک کوانتوم این مثال را بررسی می‌کنیم.

آزمایش گربه‌ی شرودینگر

آزمایش گربه‌ی شرودینگر، یک آزمایش فکری است که توسط اروین شرودینگر (فیزیکدان اتریشی) ابداع شد، این آزمایش به ما نشان می‌دهد هنگامی که قوانین کوانتومی در زندگی روزمره‌ی ما اعمال شوند چه اتفاقی می‌افتد، توصیف این آزمایش به شرح زیر است:

فرض کنید، گربه‌ای در یک جعبه قرار دارد و یک ظرف سم نیز در آن جعبه است، تا وقتی در جعبه بسته است ما هیچ پیشفرضی درباره سرنوشت گربه نداریم، 50 درصد این احتمال وجود دارد که گربه مرده باشد یا به احتمال 50 درصد زنده باشد (در دنیای کوانتوم مقدار دقیق این احتمال برابر با 2√/1 درصد است)

تا وقتی در جعبه را باز نکرده‌ایم نمی‌توانیم هیچ اظهار نظری در این‌باره کنیم، به بیان دیگر این گربه هم زنده است و هم مرده، تا اینکه در جعبه را باز کرده و آن‌را نگاه کنیم.

به طور کلی می‌توان گفت نظریه‌ی فیزیک کوانتومی اینطور بیان می‌کند که همه‌ی اشیا می‌توانند انواع حالات مختلف را در هر لحظه داشته باشند مگر اینکه به آن‌ها نگاه کنیم، اجسام تنها زمانی که به آن‌ها توجه می‌کنیم ویژگی‌های منطقی خود را می‌گیرند و تا قبل از آن هر شی می‌تواند هر چیزی باشد!

حال که کمی با مفهوم کوانتوم آشنا شدیم بهتر می‌توانید نحوه‌ی کار کامپیوترهای کوانتومی را درک کنید، هر بیت در این کامپیوترها می‌تواند در آن واحد مقداری برابر با 0 و 1 را به طور همزمان داشته باشد تا به آن نگاه کنید (نتیجه‌ی محاسبات را فراخوانی کنید)

کامپیوتر کوانتومی چیست؟

همانطور که بالاتر گفتیم کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند در یک لحظه انواع حالات مختلف مسئله را در خود داشته باشند، مثالی که در ابتدای مقاله زدیم را به یاد دارید؟ بیت‌هایی که نمایان‌گر دو عدد مختلف بودند.

گفتیم در یک کامپیوتر معمولی در هر لحظه هر بیت تنها یک مقدار می‌پذیرد، بنابراین مقدار مجموعه‌ی بیتی برابر با 172 یا 236 است، اما در یک کامپیوتر کوانتومی مجموعه‌ی بیتی در هر لحظه برابر با تمام اعداد موجود در این بازه است و می‌تواند به طور همزمان هم برابر 172 و هم برابر 236 باشد!

محاسبه‌ای که در یک کامپیوتر معمولی به 4.5 ترابایت فضا برای پردازش نیاز دارد، در یک کامپیوتر کوانتومی تنها با 56 کیوبیت فضا پردازش می‌شود!

کامپیوترهای کوانتومی به دلیل اینکه در لحظه تمام حالات پاسخ یک سوال را در خود دارند به میزان حافظه‌ی بسیار کمتری احتیاج دارند، چرا که در یک کامپیوتر معمولی چنین پردازش‌هایی ملزم اختصاص یک فضای جداگانه به هر راه‌حل است، در حالی که کامپیوتر کوانتومی تمام حالات پاسخ را به طور همزمان در کیوبیت‌های خود نگهداری می‌کند.

کامپیوترهای کوانتومی چگونه کار می‌کنند؟

طبق توضیحات بالا در می‌یابیم که یک کامپیوتر کوانتومی تمام راه‌حل‌های یک مسئله را در آن واحد درون کیوبیت‌های خود دارد، فقط کافیست مقدار این کیوبیت‌ها در لحظه‌ی درست خوانده شود تا به جواب مسئله برسیم.

برای اینکه بتوانیم کیوبیت‌های یک کامپیوتر کوانتومی را به وجود آوریم لازم است تا کامپیوتر در شرایط دمایی نزدیک به صفر مطلق نگهداری گردد تا بیت‌های سخت‌افزاری دارای خاصیت کوانتومی شوند.

بنابراین فعلا نمی‌توان کامپیوترهای کوانتومی را مانند کامپیوترهای معمولی در خانه و محل کار استفاده کرد، این کامپیوترها معمولا در شرایط آزمایشگاهی و با اهداف علمی و پژوهشی استفاده می‌شوند، هرچند هنوز کامپیوترهای کوانتومی خیلی قدرتمندتر از کامپیوترهای معمولی نیستند، اما این فناوری به سرعت در حال پیشرفت بوده و به زودی دنیای جدیدی به روی ما گشوده خواهد شد، در حال حاضر شرکت‌هایی مانند گوگل، IBM و مایکروسافت در حال کار روی پردازش کوانتومی هستند.

کاربردهای یک کامپیوتر کوانتومی

تقریبا می‌توان گفت هرآنچه قبلا قادر به محاسبه و مدل‌سازی آن نبودیم، هم‌اکنون به کمک رایانش کوانتومی امکان‌پذیر است! از مدل‌سازی ذرات اتم‌ها گرفته تا ملکول‌های مختلف، صنایع دارویی، غذایی و…

یکی از مهم‌ترین کاربردهای کامپیوترهای کوانتومی در مواردی است که با اتم‌ها و ملکول‌ها سر و کار داشته باشیم، این کامپیوترها در این زمینه به قدرت بلامنازع تبدیل خواهند شد و می‌توانند در آن واحد مدل‌های مختلف را شبیه‌سازی کرده و کمک‌های بسیار زیادی به علم پزشکی و داروسازی کنند.

پردازش‌های کوانتومی تا چه حد قابل اطمینان هستند؟

یکی از چالش‌هایی که در حال حاضر پیش‌روی رایانه‌های کوانتومی قرار دارد، مشکل عدم اطمینان به پاسخ آن‌هاست، ساز و کار تصحیح خطا در کامپیوترهای کلاسیک به این صورت است که معمولا بیت‌های اضافه‌ای برای بررسی خطای بیتی و در صورت نیاز تصحیح آن‌ها در نظر گرفته می‌شود، اما این ساز و کار در کامپیوترهای کوانتومی امروزی قابل اجرا نیست، چرا که برای افزودن بیت‌های تست خطا چیزی حدود 2000 کیوبیت مورد نیاز است، در حالی که در حال حاضر قوی‌ترین کامپیوترهای کوانتومی موجود چیزی در حدود 100 کیوبیت در پردازنده‌های خود دارند!

هرچند دنیای آی‌تی و فناوری اطلاعات روز به روز در حال گسترش و پیشرفت است، اما فعلا یکی از چالش‌های پیش‌روی کامپیوترهای کوانتومی مسئله‌ی عدم اطمینان به نتایج حاصل از پردازش‌های آن‌هاست.

خطرات پردازش‌های کوانتومی

همانطور که گفتیم کامپیوترهای کوانتومی در یک لحظه تمام حالات یک مسئله را در خود دارند، حال فرض کنید از این قدرت برای شکستن رمزهای عبور و پروتکل‌های رمزنگاری استفاده شود، چراکه یک کامپیوتر کوانتومی در لحظه تمام رمزهای موجود را در خود دارد، تنها کافیست رمز صحیح در یک لحظه انتخاب شود!

به همین دلیل بسیاری از دولت‌ها در حال رقابت در این زمینه هستند، در حقیقت اولین کسی که بتواند به تکنولوژی رایانش کوانتومی دست پیدا کند قادر است تمام پسوردهای جهان را یافته و از هر قفلی عبور کند!

رمزنگاری حساب‌های کاربری، پروتکل‌های امنیتی شبکه، انتقال داده‌ها و… همه و همه با خطر رو به رو خواهند شد، البته مراکز امنیتی نیز بیکار ننشسته و در حال تلاش برای حل این مشکلات هستند، آن‌ها سعی می‌کنند سیستم رمزنگاری ایجاد کنند که بتواند در برابر کامپیوترهای کوانتومی مقاومت کند.

از سوی دیگر استفاده از قابلیت‌های کامپیوترهای کوانتومی در هوش مصنوعی قدرت پردازش و تحلیل خارق‌العاده‌ای در اختیار ربات‌ها قرار می‌دهد، احتمالا در آینده‌ای نه‌چندان دور شاهد به حقیقت پیوستن فیلم‌های علمی تخیلی خواهیم بود، دنیایی که در آن ربات‌های هوشمند با انسان همکاری می‌کنند یا شاید برعلیه انسان‌ها شورش کرده و ما را به عنوان برده‌های خود به‌کار می‌گیرند…

نظر شما در این‌باره چیست؟ آیا اطلاعات دیگری در خصوص کامپیوترهای کوانتومی دارید؟ مطمئنا دنیای پردازش‌های کوانتومی بسیار پیچیده و هیجان‌انگیز است، به‌طوری که نمی‌توان آن‌را در قالب یک مقاله بیان کرد، این پست با نظرات ارزشمند شما کامل‌تر خواهد شد پس دیدگاه‌ها و تجربیات خود را با ما و سایر کاربران به اشتراک بگذارید!

شما یک گام جلوتر از دیگران باشید!
اگر به آی‌تی و تکنولوژی علاقه‌مندید و دوست دارید سریع‌تر در این زمینه پیشرفت کنید،
همین حالا به جمع
8708
عضو همیار آی‌تی بپیوندید،
دسترسی به تمام آموزش‌های پریمیوم، دریافت جدیدترین آموزش‌های کاربردی مرتبط با آی‌تی و استفاده از مشاوره‌ی رایگان،
برخی از مزایای عضویت در سایت هستند،
شما نیز به کاربران همیار پیوسته و همین حالا وارد دنیای حرفه‌ای‌ها شوید…

من هم می‌خواهم عضو ویژه‌ی همیار شوم

نوشته های مشابه