محدودیت های حال حاضر محاسبه های کامپیوتری کدامند ؟

در نگاه نخست، به نظر می رسد كه حد نهایی پردازش رایانه ای (Computation یك موضوع مهندسی باشد. چقدر انرژی را می توانید در یك تراشه (Chip) قرار دهید بدون آنكه ذوب شود؟ با چه سرعتی می توان یك بیت (واحد داده) را در حافظه سیلیكونی مورد نظرتان جابه جا كرد؟ چقدر می توانید رایانه را بزرگ بسازید و در عین حال آن را در فضای مورد نظرتان جای دهید؟ به نظر نمی رسد كه این پرسش ها چندان ژرف و مستلزم تعمق باشند.
در حقیقت، پردازش رایانه ای (Computation) انتزاعی تر و بنیادی تر از آن است كه بتواند ما را قادر سازد بهترین راه برای ساختن یك كامپیوتر ارائه دهیم. این درك از ماهیت پردازش رایانه ای در اواسط دهه ۱۹۳۰ تجسم عینی یافت. در آن روزگار، دو ریاضیدان برجسته دانشگاه پرینستون به نام های «آلونزو چرچ» و «آلن ترینگ» نشان دادند كه هر محاسبه یا پردازشی را كه در آن بیت ها و بایت ها به عنوان واحدهای داده های اطلاعاتی نقش آفرینی می كنند می توان روی یك رایانه تكامل یافته به نام ماشین ترینگ (Turing machine) انجام داد. با نشان دادن اینكه همه كامپیوترهای كلاسیك ذاتاً همانند یكدیگر هستند، دانشمندان و ریاضیدانان با تكیه بر این اكتشاف توانستند پرسش های بنیادینی را پیرامون محاسبات و پردازش های رایانه ای طرح كنند، بدون آنكه اساساً جزئیات عملكرد رایانه ها یا اصطلاحاً معماری آنها را مورد توجه و بررسی دقیق قرار دهند. به عنوان مثال اكنون نظریه پردازان قادرند مسائل محاسباتی (Computational problems) را به دسته های كلی تر تقسیم كنند. مسائل P به آن دسته از مسائل محاسباتی اطلاق می شود كه عملاً می توان در سریع ترین زمان ممكن به حل آنها پرداخت. مثلاً، مرتب كردن فهرستی از نام ها بر اساس حروف الفبا جزء این دسته مسائل به شمار می رود. راه حل مسائل NP دشوارتر است، اما كنترل پاسخ آنها (برای حصول اطمینان از درستی آن) به محض یافتن پاسخ آنها نسبتاً آسان است. یك نمونه از این مسائل به داستان ملوانی برمی گردد كه تلاش می كند تا كوتاه ترین مسیر ممكن را برای رسیدن به یك مقصد معین از طریق مكان های بین راهی مختلف بیابد. همه الگوریتم های شناخته شده برای یافتن یك پاسخ دقیق برای این مسئله نیازمند صرف توان محاسباتی فراوانی است كه حتی حل نمونه های ساده تر آن را برای كامپیوترهای كلاسیك ناممكن می سازد.
ریاضیدانان نشان داده اند كه اگر بتوانید با یك میانبر سریع و آسان هر یك از دشوارترین نوع مسائل NP را حل كنید، آنگاه قادر به حل همه آنها خواهید بود. در عمل، مسائل NP تبدیل به مسائل P خواهند شد. اما معلوم نیست كه چنین میانبری وجود داشته باشد: آیا P = NP. دانشمندان فكر نمی كنند كه این گونه باشد، اما یكی از پرسش های بزرگ بی پاسخ مانده در دانش ریاضیات ثابت كردن آن است.
در دهه ،۱۹۴۰ دانشمندی به نام «كلود شانون» كه در آزمایشگاه های تحقیقاتی Bell Labs فعالیت داشت نشان داد كه بیت ها فقط برای كامپیوترها نیستند، بلكه واحدهای بنیادین تشریح كننده اطلاعاتی هستند كه از موضوعی به موضوع دیگر جریان می یابند. قوانین فیزیكی ای وجود دارند كه سرعت جابه جایی یك بیت از مكانی به مكان دیگر، حجم اطلاعات قابل تبادل از طریق یك كانال شناخته شده ارتباطی و حتی میزان انرژی مورد نیاز برای پاك كردن یك بیت از حافظه را تعیین می كنند. همه ماشین های كلاسیك پردازش اطلاعات از این قوانین تبعیت می كنند. اما آیا فقط با استناد به اینكه اطلاعات موجود در مغز ما به ظاهر دائماً در حال جابه جا شدن یا به عبارتی «تبادل دائمی» هستند می توان اندیشه های ذهنی ما را قابل تبدیل به بیت ها و بایت های اطلاعاتی دانست؟ آیا ما چیزی بیش از كامپیوتر نیستیم؟ این تصوری ابهام آور و البته هیجان انگیز است.
اما قلمرو دیگری بر فراز كامپیوترهای كلاسیك خودنمایی می كند: كوانتوم. ماهیت احتمالاتی تئوری كوانتوم به اتم ها و سایر اجزای كوانتومی اجازه می دهد تا اطلاعاتی را كه فقط به یكی از دو حالت ۰ یا ۱ تئوری اطلاعات محدود نمی شوند، بلكه در آن واحد می توانند ۰ و ۱ نیز باشند، در خود ذخیره كنند. فیزیكدانان سراسر جهان در حال حاضر برای ساخت نسل اولیه رایانه های كوانتومی تلاش می كنند تا با بهره برداری از این ویژگی منحصر به فرد (هم صفر و هم یك) و سایر آثار و مفاهیم كوانتومی به انجام كارهایی بپردازند كه اثبات شده است انجام آنها از حد توان رایانه های معمولی بیرون است. مثلاً، یافتن یك فایل هدف در یك پایگاه ذخیره سازی داده ها با آگاهی داشتن از نشانه های بسیار معدود در زمره توانایی های این رایانه ها پیش بینی شده است. اما دانشمندان هم اینك برای یافتن پاسخ این پرسش تلاش می كنند كه كدام ویژگی های منحصر در حیطه مكانیك كوانتوم به رایانه های كوانتومی اجازه می دهند كه تا این اندازه در انجام محاسبات و پردازش های رایانه ای توانمند ظاهر شوند. دانشمندان همچنین تلاش می كنند كه رایانه هایی به اندازه كافی بزرگ برای انجام محاسبات بسیار پیچیده و دشوار تولید كنند.با آموختن منطق غریب جهان كوانتوم و بهره برداری از آن برای انجام پردازش های رایانه ای، دانشمندان در تلاش بسیارند تا پرده از رازهای شگفت این جهان و قواعد حاكم بر روابط ذرات بسیار ریز اتم و اجزای آن بردارند. شاید روزی فرا برسد كه با دستیابی به توان انجام محاسبات بسیار پیچیده و دشوار بتوان به فهم تازه ای از قلمرو كوانتوم دست یافت. به امید آن روز!


چارلز سیف
ترجمه: علی عبدالمحمدی

منبع : روزنامه شرق