کامپیوترهای کوانتومی

كامپیوتری كه روی میز تحریر شما جا خوش كرده، برای كاركردن باید یك مشت صفر و یك را بفهمد و دستكاری كند. همه اطلاعات اعم از حروف و اعداد یا وضعیت مودم و موس شما با مجموعه ای از بیت های متشكل از صفرها و یك ها به كامپیوتر داده می شود. این بیت های اطلاعات، خیلی ساده همان طوری تعریف می شوند كه فیزیك كلاسیك دنیا را تعریف می كند؛ سوئیچ های الكتریكی می توانند روشن یا خاموش باشند، اشیا می توانند اینجا باشند، می توانند هم نباشند! ولی كامپیوترهای كوانتومی با طبیعت دودویی های فیزیك كلاسیك محدود نمی شوند همه اش به این بستگی دارد كه حالت بیت های كوانتومی یا همان كوبیت ها را چطور ببینیم؛ كوبیت ها ممكن است نشانگر یك صفر یا یك یك، تركیبی از این دو یا حتی معرف عددی باشند كه حالت آنها را جایی بین صفر و یك تعیین می كند. با توجه به فیزیك كوانتومی، نمی توان دقیقاً وجود یا عدم وجود یك ذره ریز درون اتمی را مشخص كرد. می توان به وسیله آمار و احتمال، امكان وجود این ذره های ریز را در مكان و زمان مشخصی تعیین كرد، اما هیچ راهی برای دانستن قطعی این كه آیا این ذره آنجا هست یا نه، تا وقتی كه آن را مستقیماً ندیده ایم وجود ندارد. البته آنچه كه در كامپیوترهای كوانتومی با ارزش است همین احتمالات است. این احتمال بودن یا نبودن است كه نبودن یا بودن كامپیوترهای كوانتومی را تعیین می كند.
قدرت زیاد پردازنده های كنونی هنوز نتوانسته تشنگی بشر به سرعت و ظرفیت محاسبات را برطرف كند. در سال ۱۹۴۷ مهندس آمریكایی «هووارد آیكن» گفت كه فقط ۶ كامپیوتر دیجیتال الكترونیكی نیاز محاسباتی تمام ایالت متحده را بر طرف می كند. دیگران هم پیش بینی های مشابهی را درباره میزان قدرت محاسباتی لازم برای برطرف كردن نیاز های تكنولوژیكی روبه رشد انجام دادند. البته «آیكن» حجم زیاد اطلاعاتی كه از تحقیقات علمی ایجاد می شد را به حساب نیاورده بود، گستردگی كامپیوتر 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 كند. آیا انسان به قدرت مورد نیاز خود برای محاسبه و پردازش اطلاعات دست خواهد یافت؟ اگر همان طور كه «قانون مور» می گوید، تعداد ترانزیستور های موجود در یك 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 كامپیوتر های كوانتومی است. كامپیوتر هایی كه با مهار كردن انرژی اتم ها و مولكول ها، از آنها به عنوان حافظه و پردازنده استفاده خواهند كرد. كامپیوتر های كوانتومی می توانند محاسبات را میلیارد ها برابر سریع تر از هر كامپیوتر سیلیكونی دیگری انجام دهند. دانشمندان پیش از این كامپیوتر های كوانتومی ساده ای كه توانایی انجام محاسبات مشخصی را داشته اند، طراحی كرده اند اما هنوز با یك كامپیوتر كوانتومی كاربردی فاصله زیادی دارند. برای رسیدن به زمان پیدایش ایده كامپیوتر های كوانتومی لازم نیست زیاد به عقب برگردیم. تئوری كامپیوتر های كوانتومی بیست سال بیشتر ندارد. در سال ۱۹۸۱ فیزیكدان آزمایشگاه Argonne National، «پل بنیوف» اولین تئوری كاربرد نظریه كوانتومی در كامپیوتر ها را منتشر كرد. ایده «بنیوف» ایجاد یك ماشین تورینگ كوانتومی بود. اغلب كامپیوتر های دیجیتالی، مثل همین كامپیوتر هایی كه من و شما با آن كار می كنیم، براساس «نظریه تورینگ» طراحی شده اند. ماشین تورینگ كه در سال ۱۹۳۰ توسط «آلن تورینگ» معرفی شد از یك نوار حافظه با طول نامحدود و یك هد خواندن و نوشتن تشكیل شده بود. این نوار حافظه به خانه های كوچكی تقسیم می شد كه هر كدام می توانست حاوی صفر یا یك باشد یا اینكه خالی بماند. دستگاه خواندن و نوشتن با فرمان گرفتن از ماشین می توانست حركت كند، علائم را بخواند یا تغییری در آنها ایجاد كند. این چه ربطی به كامپیوتر های كوانتومی دارد؟ در یك ماشین تورینگ كوانتومی این نوار حافظه و دستگاه خواندن و نوشتن حالت كوانتومی دارد. یعنی اینكه علائم روی نوار می توانند صفر، یك یا مقداری بین صفر و یك باشند. به علاوه ماشین تورینگ فقط یك محاسبه در هر لحظه انجام می دهد، حال آنكه نوع كوانتومی آن می تواند تعداد زیادی محاسبه را در آن واحد به انجام برساند. كامپیوتر های امروزی مثل ماشین تورینگ با دستكاری بیت هایی كه در یكی از دو حالت صفر یا یك هستند كار می كنند. ولی كامپیوتر های كوانتومی به دو حالت محدود نمی شوند.آنها اطلاعات را در قالب كیوبیت ها دریافت می كنند. محتویات یك كیوبیت همان طور كه گفته شد صفر، یك، هر دو یا چیزی بین این دو است. كیوبیت ها در واقع اتم هایی هستند كه با هم كار می كنند تا یك حافظه یا پردازنده را به وجود آورند. اینكه كامپیوتر های كوانتومی می توانند در یك زمان چندین حالت داشته باشند به آنها این امكان را می دهد كه میلیون ها بار سریع تر و قدرتمند تر از ابركامپیوتر های فعلی كار كنند. چند حالت پذیری كیوبیت ها همان دلیلی است كه باعث می شود كامپیوتر های كوانتومی ذاتاً از پردازش موازی بهره ببرند. پردازش موازی امكان كار كردن بر روی میلیون ها محاسبه در یك لحظه را به این كامپیوتر ها می دهد در حالی كه كامپیوتر شخصی شما فقط یك محاسبه در لحظه انجام می دهد. یك كامپیوتر كوانتومی ۳۰ كیوبیتی قدرتی معادل كامپیوتری معمولی با توانایی انجام ۱۰ ترا محاسبه بر روی اعداد اعشاری در یك ثانیه _ ترافلاپس (Teraflops)- دارد. سریع ترین ابركامپیوتر كنونی سرعتی برابر ۲ ترافلاپس دارد.
پژوهشگران شركت IBM با استفاده از تكنیك های تشدید مغناطیسی هسته ای (NMR) یك كامپیوتر كوانتومی ساخته اند كه اسپین اتم های مجزا را اندازه گیری و دستكاری می كند. انفجار انرژی امواج رادیویی می تواند با تغییر سطح انرژی یك اتم، پروسه شمارش را شروع كند. پروسه ای كه در تقابل با سایر اتم ها و به صورت كنترل شده ای می تواند الگویی از شمارش كوانتومی را به وجود آورد. الگویی كه می تواند به جواب حاصل از كامپیوترهای معمولی مربوط باشد. دلایل زیادی برای این همه تلاش پژوهشگران جهت ساخت و توسعه كامپیوترهای كوانتومی وجود دارد. اول اینكه اتم ها می توانند حالت انرژی خود را با سرعت فوق العاده ای تغییر دهند، سرعتی كه نهایتاً باعث افزایش سرعت پردازش اطلاعات كامپیوترها می شود. دیگر اینكه اگر مسئله ای كه به هر كیوبیت داده می شود با ذات كامپیوتر كوانتومی سنخیت داشته باشد هر كیوبیت می تواند جای یك پردازنده كامل را بگیرد. یعنی اینكه ۱۰۰۰ یون باریوم می توانند به جای ۱۰۰۰ پردازنده كامپیوتر كار كنند! كلید استفاده از این قابلیت یافتن گونه مسائلی است كه یك كامپیوتر كوانتومی می تواند حل كند. خیلی بعید است كه روزی شما شاهد حضور یك كامپیوتر كوانتومی روی میز كارتان باشید. چرا كه این كامپیوترها برای انجام كارهایی چون پردازش متون یا چك كردن ای میل طراحی نشده اند. از طرفی دیگر رمزگشایی و رمزگذاری در ابعاد وسیع برای كامپیوترهای كوانتومی ایده آل است. و كاركردن با پایگاه های داده بزرگ جزء بخش هایی است كه مسلماً كامپیوترهای كوانتومی حرف اول را در آن خواهند زد. كامپیوتر های كوانتومی می توانند روزی جای كامپیوتر های سیلیكونی را بگیرند همان طور كه ترانزیستور ها حباب های خلأ را از میدان به در كردند. البته امروزه تكنولوژی مورد نیاز برای این كامپیوتر ها چندان پیشرفت نكرده است. اغلب تحقیقات در باب كامپیوتر های كوانتومی هنوز در حد تئوری اند. پیشرفته ترین كامپیوتر كوانتومی حاضر هنوز از پس كار كردن با بیش از ۷ كیوبیت برنیامده است. یعنی آنها هنوز در مرحله ۲=۱+۱ هستند. علاوه بر این، آنچه كه كامپیوتر های معمولی امروزی به زحمت و به كندی انجام می دهند، كامپیوتر های كوانتومی، به سرعت و در كسری از ثانیه انجام خواهند داد. كامپیوتر های كوانتومی می توانند فاكتوریل اعداد بزرگ را در كسری از ثانیه محاسبه كنند. از آنها می توان برای جست وجو در پایگاه های داده بزرگ و رمز گذاری و رمز گشایی استفاده كرد. اگر امروز یكی از آنها وجود داشت دیگر هیچ، اطلاعاتی بر روی اینترنت امن نبود. سیستم های ساده كد گذاری امروز در برابر سیستم های پیچیده كامپیوتر های كوانتومی فردا حرفی برای گفتن نخواهند داشت. وجود اینچنین كاربردهای وسیع و مهمی است كه دانشمندان را به كار بر روی كامپیوترهای كوانتومی مشتاق كرده است. اگرچه دانشمندان و مهندسان تعدادی كامپیوتر كوانتومی كوچك ساخته اند ولی در راه تولید و توسعه كامپیوترهای كوانتومی تجاری كارا مشكلات مهمی وجود دارد. مهمترین آنها حفظ یك یون در حالت پایدار، هنگام مشاهده سطح انرژی و جهت اسپین آن است. در حال حاضر یون ها با استفاده از لیزر در دمایی نزدیك به صفر مطلق نگهداری می شوند. این كار را بعد از جداسازی یك اتم از گروهی و قرار دادن آن در جای خودش انجام می دهند. تا به حال گونه های ارائه شده از كامپیوترهای كوانتومی چیزی بین دو تا چهار اتم داشته اند. تكنیك های NMR كه 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 یك» خواهد شد، این یعنی نابود كردن بنیاد كامپیوترهای كوانتومی. اما كامپیوتر های كوانتومی هنوز راه زیادی برای پیمودن و پیشرفت دارند. آنها برای مواجه شدن با مشكلات دنیای واقعی باید حداقل چندین جین كیوبیت داشته باشند. از كامپیوتر های كوانتومی می توان برای رمز گذاری و رمز گشایی استفاده كرد اگر امروز یكی از آنها وجود داشت دیگر هیچ اطلاعاتی بر روی اینترنت امن نبود.

ترجمه: شایان شهند
منبع :www.sharghnewspaper.com

منبع : شبکه فیزیکی هوپا