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

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، واژه ای که این روزها اخبار زیادی از آن به گوش می رسد، کامپیوترهای کوانتومی نسل آینده ی پردازش های کامپیوتری هستند که می توانند دنیای فناوری اطلاعات را به  کلی دگرگون کنند، در این آموزش از همیار آی تی قصد داریم با زبانی ساده شما را با کامپیوترهای کوانتومی و نحوه ی عملکرد آن ها 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 نحوه ی کار آن ها بیندازیم.

همه ی ما می دانیم که پایه و اساس کار کامپیوترهای امروزی بیت های منطقی هستند، یعنی 0 و 1 که از کنار هم قرار گرفتن آن ها دستورات مختلف رایانه ای پدید آمده و پردازنده می تواند روی آن ها محاسبات مختلفی انجام دهد.

بیت ها معمولا به کمک میزان ولتاژ در مدارات مختلف نشان داده می شوند، به عنوان مثال ولتاژ 0 نمایان گر بیت 0 و ولتاژ 5 نمایان گر بیت 1 است (میزان ولتاژ ها فرضی بوده و می تواند در هر سخت افزار متفاوت باشد)

تصویر بالا را در نظر بگیرید، ما در این تصویر 2 بایت مختلف داریم (هر 8 بیت 1 بایت را تشکیل می دهد) مجموعه ی سمت چپ (10101100) نماینده ی عدد 172 و مجموعه ی سمت راست (11101100) نماینده ی عدد 236 می باشد.

هرکدام از این اعداد با توجه به وضعیت سیستم می توانند به شکل متفاوتی تفسیر شوند، مثلا یک کارکتر در نرم افزار ورد، یک عدد در ماشین حساب، یک دستورالعمل در پردازنده، بخشی از یک موسیقی یا تصویر و… اگر علاقه مندید بیشتر با این مکانیزم آشنا شوید و بدانید کامپیوترها چطور با هم صحبت می کنند، همین حالا مقاله ی زبان باینری را مطالعه کنید!

نکته ی مهم در این بخش این است که تنها تغییر یکی از این بیت ها کافیست تا عدد تشکیل شده کاملا تغییر کند و در نتیجه مقدار نهایی این مجموعه ی 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 بیت ها باعث تغییر سرنوشت کل مجموعه می شود، در کامپیوترهای معمولی هر بیت می تواند در لحظه تنها یک مقدار مشخص داشته باشد، یعنی هر بیت در لحظه می تواند 0 باشد و یا 1 (تنها یکی از این مقادیر)

وجه تمایز کامپیوترهای کوانتومی و کامپیوترهای معمولی دقیقا در همینجاست، شاید تعجب آور باشد، اما باید بدانید کامپیوترهای کوانتومی می توانند در هر لحظه انواع حالات را داشته باشند، یعنی بیت های آن ها هم برابر با 1 است و هم برابر با 0 که آن را Qubit می نامند، می دانیم 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 می کند، یک شی می تواند در لحظه چند شی باشد، یا در چندین حالت مختلف باشد!

فرض کنید سکه ای را به هوا پرتاب می کنید، سکه ی در حال چرخش هم می تواند شیر باشد و هم خط و تا وقتی به زمین نرسد به هیچ وجه نمی توانیم درباره ی وضعیت آن اظهار نظر کنیم، مثال بسیار معروفی در این زمینه وجود دارد به نام آزمایش گربه ی شرودینگر، در ادامه برای درک بهتر مفهوم فیزیک کوانتوم این مثال را بررسی می کنیم.

آزمایش گربه ی شرودینگر

آزمایش گربه ی شرودینگر، یک آزمایش فکری است که توسط اروین شرودینگر (فیزیکدان اتریشی) ابداع شد، این آزمایش به ما نشان می دهد هنگامی که قوانین کوانتومی در زندگی روزمره ی ما اعمال شوند چه اتفاقی می افتد، توصیف این آزمایش به شرح زیر است:

فرض کنید، گربه ای 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 نکرده ایم نمی توانیم هیچ اظهار نظری در این باره کنیم، به بیان دیگر این گربه هم زنده است و هم مرده، تا اینکه در جعبه را باز کرده و آن را نگاه کنیم.

به طور کلی می توان گفت نظریه ی فیزیک کوانتومی اینطور بیان می کند که همه ی اشیا می توانند انواع حالات مختلف را در هر لحظه داشته باشند مگر اینکه به آن ها نگاه کنیم، اجسام تنها زمانی که به آن ها توجه می کنیم ویژگی های منطقی خود را می گیرند و تا قبل از آن هر شی می تواند هر چیزی باشد!

حال که کمی با مفهوم کوانتوم آشنا شدیم بهتر می توانید نحوه ی کار کامپیوترهای کوانتومی را درک کنید، هر بیت در این کامپیوترها می تواند در آن واحد مقداری برابر با 0 و 1 را به طور همزمان داشته باشد تا به آن نگاه کنید (نتیجه ی محاسبات را فراخوانی کنید)

کامپیوتر کوانتومی چیست؟

همانطور که بالاتر گفتیم کامپیوترهای کوانتومی می توانند در یک لحظه انواع حالات مختلف مسئله را در خود داشته باشند، مثالی که در ابتدای مقاله زدیم را به یاد دارید؟ بیت هایی که نمایان گر دو عدد مختلف بودند.

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

محاسبه ای که در یک کامپیوتر معمولی به 4.5 ترابایت فضا برای پردازش نیاز دارد، در یک کامپیوتر کوانتومی تنها با 56 کیوبیت فضا پردازش می شود!

کامپیوترهای کوانتومی به دلیل اینکه در لحظه تمام حالات پاسخ یک سوال را در خود دارند به میزان حافظه ی بسیار کمتری احتیاج دارند، چرا که در یک کامپیوتر معمولی چنین پردازش هایی ملزم اختصاص یک فضای جداگانه به هر راه حل است، در حالی که کامپیوتر کوانتومی تمام حالات پاسخ را به طور همزمان در کیوبیت های خود نگهداری می کند.

کامپیوترهای کوانتومی چگونه کار می کنند؟

طبق توضیحات بالا در می یابیم که یک کامپیوتر کوانتومی تمام راه حل های یک مسئله را در آن واحد درون کیوبیت های خود دارد، فقط کافیست مقدار این کیوبیت ها در لحظه ی درست خوانده شود تا به جواب مسئله برسیم.

برای اینکه بتوانیم کیوبیت های یک کامپیوتر کوانتومی را به وجود آوریم لازم است تا کامپیوتر در شرایط دمایی نزدیک به صفر مطلق نگهداری گردد تا بیت های سخت افزاری دارای خاصیت کوانتومی شوند.

بنابراین فعلا نمی توان 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 می شوند، 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 شرکت هایی مانند گوگل، IBM و مایکروسافت در حال کار روی پردازش کوانتومی هستند.

کاربردهای یک کامپیوتر کوانتومی

تقریبا می توان گفت هرآنچه قبلا قادر به محاسبه و مدل سازی آن نبودیم، هم اکنون به کمک رایانش کوانتومی امکان پذیر است! از مدل سازی ذرات اتم ها گرفته تا ملکول های مختلف، صنایع دارویی، غذایی و…

یکی از مهم ترین کاربردهای کامپیوترهای کوانتومی در مواردی است که با اتم ها و ملکول ها سر و کار داشته باشیم، این کامپیوترها در این زمینه به قدرت بلامنازع تبدیل خواهند شد و می توانند در آن واحد مدل های مختلف را شبیه سازی کرده و کمک های بسیار زیادی به علم پزشکی و داروسازی کنند.

پردازش های کوانتومی تا چه حد قابل اطمینان هستند؟

یکی از چالش هایی که در حال حاضر پیش روی رایانه های کوانتومی قرار دارد، مشکل عدم اطمینان به پاسخ آن هاست، ساز و کار تصحیح خطا در کامپیوترهای کلاسیک به این صورت است که معمولا بیت های اضافه ای برای بررسی خطای بیتی و در صورت نیاز تصحیح آن ها در نظر گرفته می شود، اما این ساز و کار در کامپیوترهای کوانتومی امروزی قابل اجرا نیست، چرا که برای افزودن بیت های تست خطا چیزی حدود 2000 کیوبیت مورد نیاز است، در حالی که در حال حاضر قوی ترین کامپیوترهای کوانتومی موجود چیزی در حدود 100 کیوبیت در پردازنده های خود دارند!

هرچند دنیای آی تی و فناوری اطلاعات روز به روز در حال گسترش و پیشرفت است، اما فعلا یکی از چالش های پیش روی کامپیوترهای کوانتومی مسئله ی عدم اطمینان به نتایج حاصل از پردازش های آن هاست.

خطرات پردازش های 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 پروتکل های 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 دولت ها 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 حساب های کاربری، پروتکل های امنیتی شبکه، انتقال داده ها 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، آن ها سعی می کنند سیستم رمزنگاری ایجاد کنند که بتواند در برابر کامپیوترهای کوانتومی مقاومت کند.

از سوی دیگر استفاده از قابلیت های کامپیوترهای کوانتومی در هوش مصنوعی قدرت پردازش و تحلیل خارق العاده ای در اختیار ربات ها قرار می دهد، احتمالا در آینده ای نه چندان دور شاهد به حقیقت پیوستن فیلم های علمی تخیلی خواهیم بود، دنیایی که در آن ربات های هوشمند با انسان همکاری می کنند یا شاید برعلیه انسان ها شورش کرده و ما را به عنوان برده های خود به کار می گیرند…

نظر شما در این باره چیست؟ آیا اطلاعات دیگری در خصوص کامپیوترهای کوانتومی دارید؟ مطمئنا دنیای پردازش های کوانتومی بسیار پیچیده و هیجان انگیز است، به طوری که نمی توان آن را در قالب یک مقاله بیان کرد، این پست با نظرات ارزشمند شما کامل تر خواهد شد پس دیدگاه ها و تجربیات خود را با ما و سایر کاربران به اشتراک بگذارید!

شما یک گام جلوتر از دیگران باشید!
اگر به آی تی و تکنولوژی علاقه مندید و دوست دارید سریع تر در این زمینه پیشرفت کنید،
همین حالا به جمع
8708
عضو همیار آی تی بپیوندید،
دسترسی به تمام آموزش های پریمیوم، دریافت جدیدترین آموزش های کاربردی مرتبط با آی تی و استفاده از مشاوره ی رایگان،
برخی از مزایای عضویت در سایت هستند،
شما نیز به کاربران همیار پیوسته و همین حالا وارد دنیای حرفه ای ها شوید…

من هم می خواهم عضو ویژه ی همیار شوم