رشته هایی از صفر و یک کوانتومی

کامپیوترهای اولیه قدرت انجام عملیات و محاسبات سنگین را نداشتند و در ساختار خود بیش از ۱۸ هزار لامپ خلأ داشتند و مصرف شان بسیار زیاد بود. به طوری که یکی از این کامپیوترهای اولیه که «ایناک» نام داشت، هنگامی که روشن می شد و شروع به کار می کرد، برق بخشی از شهر نیویورک قطع می شد و فضایی به وسعت ۱۵۰ مترمربع را هم اشغال می کرد. در نهایت با اختراع ترانزیستورهای نیمه هادی، عمر آنها به پایان رسید. در آینده یی نه چندان دور این ماجرا یک بار دیگر تکرار می شود و کامپیوترهای امروزی جای خود را به کامپیوترهای نسل آینده یعنی «کامپیوترهای کوانتومی» می دهند. در مقایسه کامپیوترهای کوانتومی با کامپیوترهای امروزی می توان گفت مسائلی که زمانی تصور می شد غیرقابل حل است، حل خواهد شد و شبیه سازی های صورت گرفته به واقعیت بسیار نزدیک تر می شود، حتی ابرکامپیوترها هم در برابر آنها رقیبی محسوب نخواهند شد.
کامپیوترهای اولیه علاوه بر وزن زیاد، حجم بسیار زیادی هم داشتند و برای نگهداری آنها یک ساختمان چند طبقه لازم بود، ولی با این وجود توانایی آنها هزاران بار کمتر از کامپیوترهای امروزی بود. با اختراع ترانزیستورهای نیمه هادی در سال ۱۹۵۹ که نسبت به لامپ های خلأ بسیار کوچک تر و به نحو چشمگیری کارآمدتر بودند، دیگر از لامپ های خلأ استفاده نشد. به ویژه آنکه ترانزیستورها پس از سال ها استفاده خراب هم نمی شدند. ولی مساله به اینجا ختم نشد و با اختراع مدارهای مجتمع (IC) که با ابعاد چند میلی متری می توانستند هزاران ترانزیستور را در خود جای دهند، باز هم نسل جدید کامپیوترها کوچک تر و پیشرفته تر و البته سریع تر شد.
وقتی اندازه ترانزیستورها به ابعاد اتمی نزدیک می شود، دیگر قوانین حاکم بر فیزیک کلاسیک بر رفتار اتم ها حاکم نیست. به طور مثال کسی نمی داند یک الکترون در زمان مشخصی دقیقاً در کجا قرار دارد یا کسی نمی تواند به درستی تشخیص دهد که الکترون در یک سیم به کجا می رود. یعنی وقتی به ابعاد اتمی نزدیک می شویم، فیزیک کوانتومی رفتار اتم ها را توضیح می دهد و دیگر قوانین فیزیک کلاسیک کاربرد ندارد. در واقع کامپیوترهای نسل آینده با استفاده از فناوری های میکروسکوپی ذره ها کار می کنند. به طور مثال در مورد الکترون از خاصیت «اسپین» آنها استفاده می شود در تابش از خاصیت پولاریزاسیون و به همین دلیل است که سرعت این کامپیوترها با کامپیوترهای امروزی قابل مقایسه نیست. براساس الگوریتم کوانتومی می توان با استفاده از کامپیوترهای کوانتومی، یک عدد را با سرعت فوق العاده یی به مقسوم علیه های آن تجزیه کرد. اگر برای انجام عمل ریاضی مشابهی از کامپیوترهای فعلی استفاده کنیم، با افزودن هر رقم به عدد مورد نظر سرعت کامپیوتر برای حل مساله به نصف کاهش می یابد. در کامپیوترها از یک دستور ساده گرفته تا یک سیستم عامل، همه در نهایت به صورت رشته هایی از صفر و یک درمی آیند. این رشته ها می توانند روی هارد کامپیوتر شما، یک دیسک فشرده یا حتی موبایل تان ذخیره شوند. کوچک ترین واحد ذخیره اطلاعات که بیت نام دارد، یک واحد مغناطیسی است که بسته به جهت مغناطیس می تواند صفر یا یک باشد. اما در کامپیوترهای کوانتومی وضعیت به شکل دیگری است یعنی صفر و یک ها جای خود را از میدان مغناطیسی به یک خصوصیت کوانتومی ماده به نام «اسپین» می دهند. اسپین را می توان به جهت چرخش یک ذره تشبیه کرد. مثلاً بنا بر قوانین کوانتومی از دو الکترون، اتم هلیم، اگر یکی اسپین مثبت باشد، دیگری حتماً اسپین منفی است. در نتیجه می تواند ابزار بسیار مناسبی برای ذخیره سازی صفر و یک باشد. بنابراین در کامپیوترهای آینده به کوچک ترین واحد ذخیره اطلاعات «کیوبیت» می گویند. از همه مهم تر اینکه هر بیت در حالت کلاسیک خود در یک لحظه مشخص فقط می تواند یک حالت صفر یا یک داشته باشد. در صورتی که در کوانتوم، یک بیت می تواند در یک زمان مشخص حاوی هر دو حالت صفر و یک باشد.
با توجه به ماهیت ساختار کامپیوترهای کوانتومی، روش برقراری ارتباط آنها کاملاً متفاوت با کامپیوترهای امروزی است. بدین صورت که پالس های رادیویی نقش صفحه کلید را دارند که به وسیله آن اطلاعات وارد کامپیوتر می شود و دستگاه تشدید مغناطیسی که دستگاهی شبیه به دستگاه MRI بیمارستان است، نقش صفحه نمایش را ایفا می کند و با ارائه تصویر مغناطیسی از توده مولکول ها کامپیوتر پاسخ محاسبات را به ما می دهد.
از سوی دیگر باید تلاش کرد ترانزیستورهایی از جنس مورد نظر ساخت زیرا ترانزیستورها عامل تقویت ولتاژ در مدارهای الکترونیکی هستند و قدرت تقویت کنندگی آنها موجب افزایش سرعت کامپیوترها است. این ترانزیستورها تاثیر مهمی در تولید کامپیوترهای آینده دارند و در صورتی که در ابتدا یا انتهای ساختار آنها، ترکیب با دیگر نیمه هادی ها به خصوص طلا ایجاد شود یا حتی روی پوسته آنها نیمه هادی مهمی چون «روی» قرار داده شود، گام مهمی برای تولید قدرتمندترین ترانزیستورها برداشته ایم. برای این منظور روشی وجود دارد که براساس آن، یک قطره آب از محلول «روی سولفور»، روی یک صفحه از جنس سیلیسیوم که روی آن را عنصر طلا پوشانده است، قرار می گیرد و کریستال نیمه هادی ویژه یی روی پوسته ترانزیستور قرار می گیرد. بر همین اساس «روی سولفور» تکثیر شده و با عنصر طلا پیوند می خورد و به این ترتیب در مدت ز مان کوتاهی می توان ده ها هزار ترانزیستور قدرتمند ایجاد کرد و با همین شیوه هم می توان پردازنده های قدرتمندی را طراحی و تولید کرد.
در واقع زمانی که این نیمه هادی های ترکیب شده، به یک باتری متصل می شوند و الکتریسیته دریافت می کنند، همچون یک ترانزیستور عمل کرده و موجب تقویت ولتاژ در مدار و همچنین موجب افزایش سرعت کامپیوتر می شوند.
از آنجایی که جریان های ورودی به این نیمه هادی ها قابل کنترل است، جریان خروجی از آنها هم قابل کنترل است. این ترکیب ها این قابلیت را دارند که در ساخت ذرات کوانتوم مورد استفاده در کامپیوترهای نسل آینده استفاده شوند. این ذرات کوانتوم در واقع کریستال هایی از نوع نیمه هادی هستند که قابلیت ذخیره کردن الکترون ها در آنها، فوق العاده بالاست. در واقع این کوانتوم ها بهترین مکان برای ذخیره اطلاعات کامپیوترهای پیشرفته هستند.
از سوی دیگر در صورتی که بتوان کوانتوم ها را با یکدیگر پیوند داد، می توان آنها را به اندازه تنها چند سانتی متر مربع در ساختار سخت افزاری کامپیوترها جای داد. به این ترتیب هر سانتی متر مربع از درایوهای ما می توانند صدها گیگابایت از اطلاعات را در خود ذخیره کنند.
مساله دیگر نرم افزارهای کوانتومی هستند که حالت کوانتومی مشخصی دارند و کامپیوترهای آینده را قادر می سازند وظیفه خاصی را انجام دهند. حاصل کار بسته به نسخه نرم افزار، متغیر خواهد بود. اما مشکل این است که نرم افزارها حالت یکبار مصرف خواهند داشت که البته این هم باعث رشد صنعت نرم افزار به ویژه در ایران خواهد شد. البته نرم افزارهای کوانتومی در شرایط خاص می توانند نقش کاتالیزوری را انجام دهند و طی فرآیند محاسبه، بدون مصرف شدن باعث اجرای عملیات شوند.
بدون شک این تحقیقات در مورد کامپیوترهای کوانتومی، شروعی برای گام های بزر گ تر در آینده خواهد بود و با توجه به اهمیت الگوریتم کوانتومی می توان آینده درخشانی را برای نسل آینده کامپیوترها متصور بود.

علیرضا سزاوار

منبع : روزنامه اعتماد