کامپیوتر کوانتومی چیست ؟

کامپیوتری که روی میز تحریر شما جا خوش کرده، برای کارکردن باید یک مشت صفر و یک را بفهمد و دستکاری کند. همه اطلاعات اعم از حروف و اعداد یا وضعیت مودم و موس شما با مجموعه ای از بیت های متشکل از صفرها و یک ها به کامپیوتر داده می شود.
این بیت های اطلاعات، خیلی ساده همان طوری تعریف می شوند که فیزیک کلاسیک دنیا را تعریف می کند؛ سوئیچ های الکتریکی می توانند روشن یا خاموش باشند، اشیا می توانند اینجا باشند، می توانند هم نباشند! ولی کامپیوترهای کوانتومی با طبیعت دودویی های فیزیک کلاسیک محدود نمی شوند همه اش به این بستگی دارد که حالت بیت های کوانتومی یا همان کوبیت ها را چطور ببینیم؛ کوبیت ها ممکن است نشانگر یک صفر یا یک یک، ترکیبی از این دو یا حتی معرف عددی باشند که حالت آنها را جایی بین صفر و یک تعیین می کند. با توجه به فیزیک کوانتومی، نمی توان دقیقاً وجود یا عدم وجود یک ذره ریز درون اتمی را مشخص کرد. می توان به وسیله آمار و احتمال، امکان وجود این ذره های ریز را در مکان و زمان مشخصی تعیین کرد، اما هیچ راهی برای دانستن قطعی این که آیا این ذره آنجا هست یا نه، تا وقتی که آن را مستقیماً ندیده ایم وجود ندارد. البته آنچه که در کامپیوترهای کوانتومی با ارزش است همین احتمالات است. این احتمال بودن یا نبودن است که نبودن یا بودن کامپیوترهای کوانتومی را تعیین می کند.
قدرت زیاد پردازنده های کنونی هنوز نتوانسته تشنگی بشر به سرعت و ظرفیت محاسبات را برطرف کند. در سال ۱۹۴۷ مهندس آمریکایی «هووارد آیکن» گفت که فقط ۶ کامپیوتر دیجیتال الکترونیکی نیاز محاسباتی تمام ایالت متحده را بر طرف می کند. دیگران هم پیش بینی های مشابهی را درباره میزان قدرت محاسباتی لازم برای برطرف کردن نیاز های تکنولوژیکی روبه رشد انجام دادند. البته «آیکن» حجم زیاد اطلاعاتی که از تحقیقات علمی ایجاد می شد را به حساب نیاورده بود، گستردگی کامپیوتر ها به عنوان بخشی از زندگی روزمره انسان قرن جدید و ضرورت اینترنت به تنهایی می تواند نیاز بشر به قدرت محاسبات را چند برابر کند. آیا انسان به قدرت مورد نیاز خود برای محاسبه و پردازش اطلاعات دست خواهد یافت؟
اگر همان طور که «قانون مور» می گوید، تعداد ترانزیستور های موجود در یک ریزپردازنده هر هجده ماه دو برابر شود _ و این روند با همین سرعت ادامه داشته باشد- در سال ۲۰۲۰ یا ۲۰۳۰ مدار های روی ریز پرداز نده ها باید در مقیاسی اتمی اندازه گیری شوند. قدم بعدی کامپیوتر های کوانتومی است. کامپیوتر هایی که با مهار کردن انرژی اتم ها و مولکول ها، از آنها به عنوان حافظه و پردازنده استفاده خواهند کرد. کامپیوتر های کوانتومی می توانند محاسبات را میلیارد ها برابر سریع تر از هر کامپیوتر سیلیکونی دیگری انجام دهند. دانشمندان پیش از این کامپیوتر های کوانتومی ساده ای که توانایی انجام محاسبات مشخصی را داشته اند، طراحی کرده اند اما هنوز با یک کامپیوتر کوانتومی کاربردی فاصله زیادی دارند. برای رسیدن به زمان پیدایش ایده کامپیوتر های کوانتومی لازم نیست زیاد به عقب برگردیم.
تئوری کامپیوتر های کوانتومی بیست سال بیشتر ندارد. در سال ۱۹۸۱ فیزیکدان آزمایشگاه Argonne National ، «پل بنیوف» اولین تئوری کاربرد نظریه کوانتومی در کامپیوتر ها را منتشر کرد. ایده «بنیوف» ایجاد یک ماشین تورینگ کوانتومی بود. اغلب کامپیوتر های دیجیتالی، مثل همین کامپیوتر هایی که من و شما با آن کار می کنیم، براساس «نظریه تورینگ» طراحی شده اند. ماشین تورینگ که در سال ۱۹۳۰ توسط «آلن تورینگ» معرفی شد از یک نوار حافظه با طول نامحدود و یک هد خواندن و نوشتن تشکیل شده بود. این نوار حافظه به خانه های کوچکی تقسیم می شد که هر کدام می توانست حاوی صفر یا یک باشد یا اینکه خالی بماند. دستگاه خواندن و نوشتن با فرمان گرفتن از ماشین می توانست حرکت کند، علائم را بخواند یا تغییری در آنها ایجاد کند.
این چه ربطی به کامپیوتر های کوانتومی دارد؟ در یک ماشین تورینگ کوانتومی این نوار حافظه و دستگاه خواندن و نوشتن حالت کوانتومی دارد. یعنی اینکه علائم روی نوار می توانند صفر، یک یا مقداری بین صفر و یک باشند. به علاوه ماشین تورینگ فقط یک محاسبه در هر لحظه انجام می دهد، حال آنکه نوع کوانتومی آن می تواند تعداد زیادی محاسبه را در آن واحد به انجام برساند. کامپیوتر های امروزی مثل ماشین تورینگ با دستکاری بیت هایی که در یکی از دو حالت صفر یا یک هستند کار می کنند. ولی کامپیوتر های کوانتومی به دو حالت محدود نمی شوند. آنها اطلاعات را در قالب کیوبیت ها دریافت می کنند.
محتویات یک کیوبیت همان طور که گفته شد صفر، یک، هر دو یا چیزی بین این دو است. کیوبیت ها در واقع اتم هایی هستند که با هم کار می کنند تا یک حافظه یا پردازنده را به وجود آورند. اینکه کامپیوتر های کوانتومی می توانند در یک زمان چندین حالت داشته باشند به آنها این امکان را می دهد که میلیون ها بار سریع تر و قدرتمند تر از ابرکامپیوتر های فعلی کار کنند. چند حالت پذیری کیوبیت ها همان دلیلی است که باعث می شود کامپیوتر های کوانتومی ذاتاً از پردازش موازی بهره ببرند. پردازش موازی امکان کار کردن بر روی میلیون ها محاسبه در یک لحظه را به این کامپیوتر ها می دهد در حالی که کامپیوتر شخصی شما فقط یک محاسبه در لحظه انجام می دهد.
یک کامپیوتر کوانتومی ۳۰ کیوبیتی قدرتی معادل کامپیوتری معمولی با توانایی انجام ۱۰ ترا محاسبه بر روی اعداد اعشاری در یک ثانیه _ ترافلاپس ( Teraflops )- دارد. سریع ترین ابرکامپیوتر کنونی سرعتی برابر ۲ ترافلاپس دارد.
پژوهشگران شرکت IBM با استفاده از تکنیک های تشدید مغناطیسی هسته ای (NMR) یک کامپیوتر کوانتومی ساخته اند که اسپین اتم های مجزا را اندازه گیری و دستکاری می کند. انفجار انرژی امواج رادیویی می تواند با تغییر سطح انرژی یک اتم، پروسه شمارش را شروع کند. پروسه ای که در تقابل با سایر اتم ها و به صورت کنترل شده ای می تواند الگویی از شمارش کوانتومی را به وجود آورد. الگویی که می تواند به جواب حاصل از کامپیوترهای معمولی مربوط باشد.
دلایل زیادی برای این همه تلاش پژوهشگران جهت ساخت و توسعه کامپیوترهای کوانتومی وجود دارد. اول اینکه اتم ها می توانند حالت انرژی خود را با سرعت فوق العاده ای تغییر دهند، سرعتی که نهایتاً باعث افزایش سرعت پردازش اطلاعات کامپیوترها می شود. دیگر اینکه اگر مسئله ای که به هر کیوبیت داده می شود با ذات کامپیوتر کوانتومی سنخیت داشته باشد هر کیوبیت می تواند جای یک پردازنده کامل را بگیرد. یعنی اینکه ۱۰۰۰ یون باریوم می توانند به جای ۱۰۰۰ پردازنده کامپیوتر کار کنند!
کلید استفاده از این قابلیت یافتن گونه مسائلی است که یک کامپیوتر کوانتومی می تواند حل کند. خیلی بعید است که روزی شما شاهد حضور یک کامپیوتر کوانتومی روی میز کارتان باشید. چرا که این کامپیوترها برای انجام کارهایی چون پردازش متون یا چک کردن ای میل طراحی نشده اند. از طرفی دیگر رمزگشایی و رمزگذاری در ابعاد وسیع برای کامپیوترهای کوانتومی ایده آل است. و کارکردن با پایگاه های داده بزرگ جزء بخش هایی است که مسلماً کامپیوترهای کوانتومی حرف اول را در آن خواهند زد.
کامپیوتر های کوانتومی می توانند روزی جای کامپیوتر های سیلیکونی را بگیرند همان طور که ترانزیستور ها حباب های خلأ را از میدان به در کردند. البته امروزه تکنولوژی مورد نیاز برای این کامپیوتر ها چندان پیشرفت نکرده است. اغلب تحقیقات در باب کامپیوتر های کوانتومی هنوز در حد تئوری اند. پیشرفته ترین کامپیوتر کوانتومی حاضر هنوز از پس کار کردن با بیش از ۷ کیوبیت برنیامده است. یعنی آنها هنوز در مرحله ۱+۱=۲ هستند. علاوه بر این، آنچه که کامپیوتر های معمولی امروزی به زحمت و به کندی انجام می دهند، کامپیوتر های کوانتومی، به سرعت و در کسری از ثانیه انجام خواهند داد.
کامپیوتر های کوانتومی می توانند فاکتوریل اعداد بزرگ را در کسری از ثانیه محاسبه کنند. از آنها می توان برای جست وجو در پایگاه های داده بزرگ و رمز گذاری و رمز گشایی استفاده کرد. اگر امروز یکی از آنها وجود داشت دیگر هیچ، اطلاعاتی بر روی اینترنت امن نبود. سیستم های ساده کد گذاری امروز در برابر سیستم های پیچیده کامپیوتر های کوانتومی فردا حرفی برای گفتن نخواهند داشت.
وجود اینچنین کاربردهای وسیع و مهمی است که دانشمندان را به کار بر روی کامپیوترهای کوانتومی مشتاق کرده است. اگرچه دانشمندان و مهندسان تعدادی کامپیوتر کوانتومی کوچک ساخته اند ولی در راه تولید و توسعه کامپیوترهای کوانتومی تجاری کارا مشکلات مهمی وجود دارد. مهمترین آنها حفظ یک یون در حالت پایدار، هنگام مشاهده سطح انرژی و جهت اسپین آن است. در حال حاضر یون ها با استفاده از لیزر در دمایی نزدیک به صفر مطلق نگهداری می شوند. این کار را بعد از جداسازی یک اتم از گروهی و قرار دادن آن در جای خودش انجام می دهند. تا به حال گونه های ارائه شده از کامپیوترهای کوانتومی چیزی بین دو تا چهار اتم داشته اند. تکنیک های NMR که به وسیله IBM استفاده شده است راهی برای تحقیق درباره تاثیر حالت یون ها بدون مشاهده مستقیم آنها ارائه می دهد. مشاهده مستقیم یون ها منجر به از بین رفتن احتمالات و لفظ «هردو یا چیزی بین صفر و یک» خواهد شد، این یعنی نابود کردن بنیاد کامپیوترهای کوانتومی.
اما کامپیوتر های کوانتومی هنوز راه زیادی برای پیمودن و پیشرفت دارند. آنها برای مواجه شدن با مشکلات دنیای واقعی باید حداقل چندین جین کیوبیت داشته باشند.
از کامپیوتر های کوانتومی می توان برای رمز گذاری و رمز گشایی استفاده کرد اگر امروز یکی از آنها وجود داشت دیگر هیچ اطلاعاتی بر روی اینترنت ناامن نبود

منبع : میکرو رایانه