کامپیوتر کوانتومی
مقدمه مقاله کامپیوتر کوانتومی (Quantum Computer)
داخل یک یخچال، در دمایی کمی بالاتر از صفر مطلق، جدا از بقیه جهان، کامپیوتر کوانتومی یا Quantum Computer قرار دارد. اگر به تبلیغات باور داشته باشید، این فناوری نوپا یک تکنولوژی برای آینده است و ویژگی هایی دارد که زندگی ما را متحول می کند.اما کامپیوترهای کوانتومی نسل بعدی ابر کامپیوترها نیستند، بلکه چیز دیگری هستند. قبل از اینکه بخواهیم در مورد کاربرد بالقوه آن ها صحبت کنیم، باید فیزیک اساسی را که نظریه محاسبات کوانتومی “QuantumComputing” را توصیف می کند را درک کنیم و به دنیای اتمی که کوچکتر و بیگانه تر از هرچیزی که بطور شهودی درک می کنیم، نفوذ کنیم.
برای آشنایی بیشتر با مهندسی کوانتومی می توانید ویدیو مربوط به مهندسی کوانتومی و کامپیوتر کوانتومی را در یوتیوب مشاهده بکنید.
تاریخچه شروع محاسبات کوانتومی و ایده کامپیوتر کوانتومی
در سال 1980 یکی از مهم ترین فیزیکدانان قرن 20، با یک مانع مواجه شد.ریچارد پی فاینمن تشنه پنجره ای به دنیای کوانتومی بود، اما سیستم های کوانتومی ذاتا شکننده هستند و اطلاعاتشان از ما پنهان است. از آن جا که فاینمن نمی توانست، بصورت مستقیم رویداد های کوانتومی را مشاهده بکند، می خواست یک شبیه ساز کوانتومی طراحی بکند.
به سرعت مشخص شد، کامپیوتر ها از عهده این کار برنمی آیند. همانطور که او ذرات را به سیستم های کوانتومی که در حال مدل سازی بود اضافه میکرد، هزینه محاسبات شروع به رشد تصاعدی کرد.فاینمن به این نتیجه رسید که، کامپیوتر های نمی توانند انقدر سریع رشد بکنند که با پیچیدگی فرایند دینامیک کوانتومی هنگام شوند.
سپس او به یک قضیه دست یافت و یک سوال مطرح کرد : ” اگر بتوانیم ابزاری متشکل از خود عناصر کوانتومی طراحی کنیم ، داستان چگونه خواهد بود؟ “،ابزاری مطابق قوانین فیزیک عمل می کند و آن را راهی برای بررسی اسرار مکانیک کوانتومی مطرح کرد و ایده کامپیوتر کوانتومی متولد شد.با رویا پردازی فاینمن ساخت پلی میان فیزیک کوانتومی و علوم کامپیوتر شروع شد.
کامپیوتر کوانتومی چگونه کار می کند ؟
برای درک اینکه کامپیوتر کوانتومی چگونه کار می کند،ضروری است که ابتدا با درک اینکه چه چیزی آن را کوانتومی می کند شروع بکنیم.باید در آن چه قلب فیزیک کوانتوم است صحبت بکنیم.قبل اینکه یک ذره ریز اتمی را اندازه گیر بکنیم، می توانیم آن را بعنوان یک موج احتمالی در نظر بگیریم که در نوعی جعبه سیاه قرار دارد.
یک سیستم کوانتومی با شانس های مختلف برای قرار گرفتن در مکان های مختلف وجود دارد.مکانیک کوانتومی در هسته خود، تغیری در قوانین احتمالات است و قدرت محاسبات کوانتومی نیز از همین جا ناشی می شود. قواعد احتمال متفاوت از قوانینی است که به آن عادت کرده است.یک تفاوت کلیدی این است که احتمال همیشه یک عدد بین صفر تا یک است اما دامنه ها اعداد مختلط هستند.این بدین معنا است که از قوانین مختلفی پیروی می کنند.
اما اگر بخواهیم دامنه کل را اتفاقی بدانیم، باید دامنه ها را برای همه راه های مختلفی که ممکن است اتفاق بیوافتد جمع بکنیم.اما وقتی دامنه ها را با هم جمع می کنیم، چیز جدیدی را مشاهده می کنیم و آن این است که یک ذره ممکن است از یک با دامنه های مثبت به یک مکان خاص برسد و از یک طرف هم با دامنه منفی هم بتواند به همان مسیر برسد،اگر این اتفاق بیوفتد،این دو دامنه می توانند یکدیگر را خنثی بکنند، بطوری که دامنه کل صفر شود و این بدین معنی می باشد که آن چیز اصلا اتفاق قرار نیست بیوفتد.
بنابرین دامنه ها به احتمال اینکه وقتی به انجا نگاه می کنید واقعا چیزی را می بینید که با ان مرتبط است.این چیزی می باشد که مکانیک کوانتومی در کورد جهان می گوید، که شما یک سیستم فیزیکی را توصیف می کنید،با فهرستی از دامنه ها است و روشی که یک سیستم فیزیکی در طول زمان تغیر می کند، با تبدیل خطی این دامنه ها است.
اطلاعات چگونه کوانتومی می شود و کیوبیت چیست ؟
کیوبیت ها واحد محاسباتی اصلی در کامپیوترکوانتومی است. کیوبیت ها ماننده بیت های کلاسیک یک کامپوتر می باشد، اما با یک تفاوت اساسی با کیوبیت ها دارد.بیت ها در مبنا دودویی است که اطلاعات را در رشته هایی از ارقام باینری ذخیره می کند که فقط می تواند صفر یا یک باشد، اما کیوبیت ها از ذرات زیراتمی ساخته شده اند، بنابرین می توانند طبق منظق زیر اتمی یا منطق مکانیک کوانتومی عمل بکنند.
کیوبیت ها می توانند صفر و یک یا یک ترکیب خطی از صفر و یک باشند که این ترکیب از دامنه ها در هسته کامپیوتر کوانتومی قرار دارد.قبل از اینکه یک کیوبیت را اندازه گیری کنیم، در حالتی بنام برهم نهی یا Superposition قرار دارند، که می توانیم آن را یک نسخه کوانتومی یک توزیع احتمال در نظر بگیریم.در هر کیوبیت مقداری با دامنه برای صفر بودن و مقداری برای یک بودن وجود دارد.
برهم نهی دلیلی است که کامپیوتر کوانتومی می تواند، مقادیرزیادی داده را در مقایسه با کامپیوتر های معمولی ذخیره و دستکاری بکند. هنگامی که دو یا چند کیوبیت در حالت بسته از برهم نهی قرار دارند، از طریق پدیدع درهم تنیدگی کوانتومی به یکدیگر مرتبط می شوند و این بدین معنی می باشد که نتایج آن ها را وقتی اندازه گیری می کنیم با همبستگی هایی که معمولا در دنیای کلاسیک با آن مواجه هستیم متفاوت است.
برای درک ساده این موضوع، شما می توانید آن را یک کتاب در نظر بگیرید که وقتی صفحات آن را یکی یکی نگاه می کنید، هیچ اطلاعاتی نمی بینید و فقط یکسری نوشته تصادفی می بینید، زیرا اطلاعات در صفحات منفرد رمزگذاری نمی شوند بلکه در همبستگی بین آن ها کد گذاری شده است و برای خواندن کتاب با صفحات زیادی را بطور جمعی مطالعه کنید.اما اگر بخواهید حالت های بسیار درهم تنیده را با استفاده از بیت های معمولی توصیف کنید، بسیار پرهزینه خواهد بود.
کامپیوتر کوانتومی چقدر سریع تر از کامپیوتر معمولی است ؟
تصور کنید که کامپیوتر کوانتومی 10 کیوبیتی دارید که می تواند 2 به توان 10 مقدار را بصورت موازی ذخیره کند، برای توضیف این پیکربندی درهم تنیده با یک کامپیوتر معمولی به اندازه 16 کیلوبایت بیت یا 16 هزار بیت نیاز دارید. حال اگر سیستم را به یک سیستمی با 500 کیوبیت درهم تنیده بسط دهیم، اکنون به تعداد بیت های کلاسیک بیشتری نسبت به اتم های موجود در جهان شناخته شده نیاز داریم. این دقیقا همان چیزی هست که فاینمن گفته بود، که کامپیوتر معمولی برای شبیه سازی مکانیک کوانتومی مقیاس پذیر نیست .
برای اینکه کامپیوتر کوانتومی کاربرد داشته باشد، باید اطلاعات کیوبیت ها را اندازه بگیریم تا بتوانیم خروجی داشته باشیم.مشکل اصلی اینجاست که وقتی یک سیستم کوانتومی اندازه گیری می شود، به حالت کلاسیک فروپاشی می شود. در مورد این موضع در یک مقاله جداگانه حرف خواهیم زد و شروع به حل کردن این مشکل می کنیم.
اگر علاقه به زمینه محاسبات کوانتومی و مهندسی کوانتومی دارید می توانید دوره برنامه نویسی کوانتومی را ثبت نام کنید
دیدگاهتان را بنویسید