نگاهی به کامپیوترهای نسل آینده

کامپیوترهای اولیه قدرت انجام عملیات و محاسبات سنگین را نداشتند و در ساختار خود از بیش از ۱۸ هزار لامپ خلا استفاده می کردند و مصرف بسیار بالایی داشتند به طوری که یکی از این کامپیوترهای اولیه که «انیاک» نام داشت، هنگامی که روشن شده و شروع به کار می کرد، برق نیمی از شهر نیویورک قطع می شد و فضایی بیش از ۱۵۰ مترمربع را اشغال می کرد. در نهایت با اختراع ترانزیستورهای نیمه هادی عمر آنها به پایان رسید. در آینده ای نه چندان دور ممکن است این ماجرا یک بار دیگر تکرار شود و کامپیوترهای امروزی جای خود را به کامپیوترهای نسل آینده یعنی «کامپیوترهای کوآنتومی» بدهند. در مقایسه کامپیوترهای کوآنتومی 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 در برابر آنها رقیبی محسوب نخواهند شد.
کامپیوترهای اولیه علاوه بر وزن بسیار زیاد، حجم بسیار بزرگی هم داشتند و گاهی برای نگهداری آنها یک ساختمان چندطبقه لازم بود ولی با این وجود توانایی آنها هزاران بار کمتر از کامپیوترهای امروزی بود و برای تهیه و نگهداری آنها هزینه های سنگینی صرف می شد. با اختراع ترانزیستورهای نیمه هادی در سال ۱۹۵۹ که نسبت به لامپ های خلا بسیار کوچک تر و ارزان تر و به نحو چشمگیری کارآمدتر بودند، دیگر از لامپ های خلا استفاده نشد، به ویژه آنکه ترانزیستورها پس از سال ها استفاده خراب نمی شدند. ولی مسئله به اینجا هم ختم نشد. با اختراع مدارات مجتمع ICها 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 ترانزیستورهایی که متخصصان می سازند 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 یک زمان مشخص دقیقا 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 کوآنتومی رفتار اتم ها را توضیح می دهد و دیگر قوانین کلاسیک کاربرد ندارد. در واقع کامپیوترهای نسل آینده با استفاده از فناوری های میکروسکوپیک ذره ها کار می کنند، به طور مثال در مورد الکترون از خاصیت «اسپین» آنها استفاده می کنند، در تابش از خاصیت پولاریزاسیون و غیره به همین دلیل است که سرعت و حجم این کامپیوترها با کامپیوترهای امروزی قابل قیاس نیست. نخستین ایده ها در مورد کامپیوترهای کوآنتومی به دهه ۱۹۸۰ برمی گردد در آن زمان دانشمندانی همچون «دیوید دویچ» و ریچارد فایمن با ارائه مقاله هایی از لحاظ نظری به توصیف کامپیوترهای کوآنتومی پرداختند، ولی دستیابی متخصصان به جنبه های عملی آن امکان پذیر نشد. تا آنکه در نهایت در نوامبر ۱۹۹۴، پیتر شور با طراحی یک الگوریتم کوآنتومی که بعدها به الگوریتم شور معروف شد، تا حد زیادی جهان را در دستیابی به کامپیوترهای کوآنتومی نزدیک تر کرد. براساس این روش می توان با استفاده از کامپیوترهای کوآنتومی یک عدد را با سرعت فوق العاده ای به مقسوم علیه های اول 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 مسئله به نصف کاهش می یابد. قدرت ریاضی الگوریتم شور دانشمندان زیادی را به فکر انداخت تا برای پیدا کردن الگوریتم های کوآنتومی دیگر یا یافتن روش های عملی اجرای این الگوریتم ها فعالیت کنند.
در کامپیوترها از یک دستور ساده گرفته تا سیستم عامل، همه در نهایت به صورت رشته هایی از صفر و یک درمی آیند. این رشته ها می تواند روی هارد کامپیوتر شما، یک دیسک فشرده و یا حتی موبایل تان ذخیره شود. کوچک ترین واحد ذخیره اطلاعات که بیت bit نام دارد، یک سلول مغناطیسی است که بسته به جهت مغناطیس می تواند صفر یا یک باشد. اما در کامپیوترهای کوآنتومی وضعیت به این نحو است که صفر و یک ها جای خود را از میدان مغناطیسی به یک خصوصیت کوآنتومی ماده به نام «اسپین» می دهند. اسپین را می توان به جهت چرخش یک ذره تشبیه کرد. مثلا بنا بر قوانین کوآنتومی از دو الکترون در اتم هلیوم اگر یکی اسپین مثبت باشد دیگری حتما 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» Qbit می گویند. از همه مهمتر 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 کوآنتوم یک بیت می تواند در یک زمان مشخص حاوی هر دو حالت صفر و یک باشد. هم اکنون دانشمندان به دنبال ماده ای هستند که کیوبیت های فراوانی داشته باشد و به گونه ای باشد که بتوان با کیوبیت های آن ارتباط برقرار کرد. دستاورد فعلی آنها یک مولکول از فلوئور کربن و آهن است که هفت کیوبیت واقعی دارد. آنها میلیاردها مولکول از این ماده را در آزمایشگاه ساخته اند و با استفاده از آن نخستین محاسبه واقعی یک کامپیوتر کوآنتومی را انجام داده اند.
با توجه به ماهیت ساختار کامپیوترهای کوآنتومی روش برقراری ارتباط آنها کاملا 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 و با همان اصول کار می کند، نقش صفحه نمایشگر کامپیوتر را ایفا می کند. با ارائه تصویر مغناطیسی از توده مولکول ها کامپیوتر پاسخ محاسبات را به ما نشان می دهد. دستاورد فعلی دانشمندان در زمینه ساخت کامپیوتر کوآنتومی، ساخت مولکولی با ظرفیت هفت کیوبیت بوده است که توسط آن توانسته اند عدد ۱۵ را به سه و پنج تجزیه کنند، گرچه این دستاورد ممکن است چندان قابل توجه به نظر نیاید ولی به طور یقین این تلاش ها شروعی برای گام های بزرگتر در آینده خواهد بود. مسئله دیگر نرم افزارهای کوآنتومی هستند که حالت کوآنتومی 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 افزار ها حالت یک بار مصرف خواهند داشت که البته باعث رشد صنعت نر م افزاری خواهد شد و به نفع شرکت های نرم افزاری است، ولی به تازگی محققان کشف کرده اند که نرم افزار کوآنتومی در شرایط خاص می تواند نقش کاتالیزوری را انجام دهد و طی فرآیند بدون مصرف شدن باعث اجرای عملیات شود. با توجه به دستاوردهای جدید دانشمندان، می توان آینده درخشانی را برای نسل آینده کامپیوترها متصور بود به ویژه آنکه این مسئله مورد استقبال کاربران نیز قرار گرفته است.

منبع : آسمونی