- کامپيوتر کوانتومي چيست؟ - خبرآنلاين
شايد باورتان نشود که چه قدرتي در جيب‌هاي ما پنهان است. منظورمان گوشي‌هاي هوشمند امروزي است که قدرت پردازش آن‌ها، از ابررايانه‌هاي نظامي نيم‌قرن پيش که فضايي به‌اندازه‌ي يک اتاق را اشغال مي‌کردند، بيشتر است. در اوج جنگ جهاني دوم، رئيس شرکت IBM تصور مي‌کرد که فقط پنج دستگاه رايانه‌ي همه‌جانبه مانند «انياک» براي حل همه‌ي مشکلات جهان کافي است؛ اما امروز، رايانه‌هايي به‌مراتب سريع‌تر در جاي‌جاي زندگي بشر حضور دارند و وابستگي ما به استفاده از آن‌ها هم روزبه‌روز بيشتر مي‌شود. توسعه‌ي رايانه‌ها و ابررايانه‌ها به‌قدري سريع پيش مي‌رود که پيش‌بيني شده تا سال 2040 ميلادي (1419 شمسي)، انرژي مصرفي همه‌ي رايانه‌ها و ابزارهاي همراه از توان فناوري‌هاي امروز براي توليد انرژي فراتر خواهد رفت و جهان شاهد خاموشي‌هاي گسترده خواهد بود.
هرچند مهندسان کامپيوتر و الکترونيک در شرکت‌هايي مانند اينتل، ARM (سازنده‌ي تراشه‌هاي کوالکوم) و انويديا به طراحي پردازنده‌هاي سريع‌تر، کم‌مصرف‌تر و بهينه‌تر مشغولند؛ اما بيشتر پژوهشگران در تلاشند رايانه‌هاي کوانتومي را از ابزاري آزمايشگاهي به محصولي تجاري تبديل کنند. رايانه‌هاي کوانتومي، به‌مراتب سريع‌تر و بهينه‌تر از رايانه‌هاي الکترونيکي امروزي هستند و مي‌توانند با حل مسائلي که پيشرفته‌ترين ابررايانه‌هاي الکترونيکي قادر به پردازش آن‌ها نيستند، انقلابي در پيشرفت تمدن بشر ايجاد کنند. اما رايانه‌ي کوانتومي چيست، چگونه کار مي‌کند و چه فايده‌اي دارد؟
کامپيوتر کوانتومي D-Wave: شرکت کانادايي «D-Wave» يکي از نخستين عرضه‌کنندگان رايانه‌هاي کوانتومي تجاري است و پردازنده‌ي کوانتومي آن 2000 کيوبيت را پردازش مي‌کند. پردازنده‌ي D-Wave بر اساس فرآيند خنک‌سازي بي‌دررو عمل مي‌کند و در محاسبات مسائل بهينه‌سازي به کار مي‌آيد، ازاين‌رو برخي کارشناسان، اين پردازنده را جزء پردازنده‌هاي کوانتومي به حساب نمي‌آورند.
محدوديت‌هاي رايانه‌ي الکترونيکي
سخت‌افزار رايانه‌هاي امروزي بر پايه‌ي قطعه‌اي الکترونيکي به نام «ترانزيستور» عمل مي‌کند. شايد در کلاس رياضي مدرسه با نوشتن اعداد در مبناي 2 و حساب کردن با آن‌ها آشنا شده باشيد. با عبور يا قطع جريان الکتريکي در ترانزيستورها مي‌توان مقادير 0 و 1 را تعريف کرد و محاسبات پيچيده‌اي روي آن‌ها انجام داد. قدرت محاسبات پيشرفته‌ترين ابررايانه‌ي امروزي که «SUMMIT» نام دارد، 122?3 پتافلاپس است، يعني اين ابررايانه مي‌تواند در هر ثانيه 122?300?000?000?000?000 محاسبه روي اعداد اعشاري انجام دهد؛ اما ابررايانه‌ها از حل برخي مسائل پيچيده، مانند شکستن رمزنگاري امنيت تبادلات بانکي يا تجزيه‌ي اعداد بسيار بزرگ به عوامل اول، ناتوانند.
فيزيک کوانتومي و کيوبيت
تصور کنيد توپي پلاستيکي را پيوسته به ديوار روبه‌روي خودتان پرت مي‌کنيد. هرچند بار که اين کار را تکرار کنيد، مي‌بينيد که توپ پس از برخورد به ديوار، برمي‌گردد. به‌بيان‌ديگر، توپ هميشه در اين‌سوي ديوار باقي مي‌ماند و هرگز آن‌سوي ديوار ديده نمي‌شود. اين آزمايش، نمونه‌اي از پديده‌هاي بزرگ‌مقياس است که با «فيزيک کلاسيک» و «مکانيک نيوتني» توصيف مي‌شود. حال اگر ابعاد توپ و ديوار را کوچک و کوچک‌تر کنيم، با پيامدهاي عجيبي روبه‌رو مي‌شويم. تصور کنيد توپ به ابعاد يک ذره‌ي الکترون رسيده و ديوار مقابل هم سد متراکمي است که حفره‌اي براي گذر الکترون ندارد. اگر به‌دفعات الکترون را به اين ديوار پرتاب کنيم، مشاهده مي‌کنيم که بعضي وقت‌ها برمي‌گردد، بعضي‌وقت‌ها آن‌سوي ديوار ظاهر مي‌شود (گويي از ميان ديوار، تونل زده) و بعضي وقت‌ها درون ديوار به دام مي‌افتد. به‌بيان‌ديگر، پرتاب الکترون به ديوار نفوذناپذير هميشه پيامد يکساني ندارد و الکترون با احتمال‌هاي مختلفي برمي‌گردد، تونل مي‌زند يا به دام مي‌افتد. اين آزمايش، نمونه‌اي از پديده‌هاي ريزمقياس است که با «فيزيک کوانتومي» توصيف مي‌شود و اين حالت‌هاي مختلف را با موجودي رياضياتي به نام «تابع موج» توضيح مي‌دهيم.
فيزيک‌دانان توانسته‌اند با استفاده از پديده‌هاي کوانتومي، کيوبيت (واحد اطلاعات کوانتومي) بسازند. در شرايطي که بيت‌هاي الکترونيکي يا در حالت خاموش (0) يا در حالت روشن (1) قرار دارند، کيوبيت‌ها مي‌توانند 0، 1 يا هر مقداري بين آن‌ها داشته باشند. براي درک بهتر، يک کره را تصور کنيد. در کامپيوتر الکترونيکي، هر بيت فقط مي‌تواند روي قطب شمال يا قطب جنوب کره قرار داشته باشد؛ اما کيوبيت مي‌تواند روي هر نقطه‌اي از سطح کره قرار بگيرد؛ بنابراين کيوبيت مي‌تواند اطلاعات به‌مراتب بيشتري را در خود ذخيره کند. محاسبات کوانتومي هم روي تابع موج کيوبيت‌ها انجام مي‌شود و ازآنجايي‌که در هر مرحله از محاسبات، اطلاعات بيشتري پردازش مي‌شوند؛ سرعت پردازش رايانه‌ي کوانتومي به شکل نمايي افزايش پيدا مي‌کند.
توجه: براي مشاهده‌ي اينفوگرافيک در ابعاد بزرگ، تصوير را در پنجره‌ي تازه‌اي باز کنيد.
انقلاب رايانه‌هاي کوانتومي
رايانه‌هاي کوانتومي قرار نيست جايگزين رايانه‌هاي الکترونيکي شوند. قرار دادن کيوبيت‌ها در حالت‌هاي شکننده‌ي کوانتومي و نگهداري آن‌ها در اين وضعيت، نيازمند شرايط بسيار دشوار و فوق‌العاده سردي (نزديک به صفر مطلق) است. براي فراهم‌آوردن اين شرايط خاص، از سيستم‌هاي خنک‌کننده‌ي رقيق‌ساز استفاده مي‌شود که در اينفوگرافيک زير، ساختار آن را نشان داده‌ايم.
رايانه‌هاي کوانتومي فقط برخي مسائل خاص را سريع‌تر از ابررايانه‌هاي الکترونيکي حل مي‌کنند و ابررايانه‌ها، کماکان بخش مهمي از سخت‌افزارهاي آينده را تشکيل خواهند داد. پيش‌بيني دقيق تأثير رايانه‌هاي کوانتومي بر پيشرفت تمدن بشر و تأثير آن بر زندگي روزمره، کار سختي است؛ اما شرکت‌هاي بزرگي مانند آي‌بي‌ام، گوگل، مايکروسافت و حتي اينتل، پروژه‌هاي بزرگي را براي ساخت رايانه‌ي کوانتومي تجاري در دست اجرا دارند. افزايش دقت شبيه‌سازي‌هاي رايانه‌اي و به‌خصوص پديده‌هاي ريزمقياس کوانتومي، طراحي و آزمايش داروهاي جديد، پيش‌بيني وضعيت هوا، تحليل داده و هوش مصنوعي از مهم‌ترين کاربردهاي رايانه‌هاي کوانتومي خواهد بود.
چند مثال ساده
1- مي‌خواهيم گذرواژه‌ي (پسوورد) فايل رمزگذاري‌شده‌اي را پيدا کنيم. تنها راه‌حل اين مسئله آن است که گذرواژه را حدس بزنيم و آن را امتحان کنيم. n حالت ممکن براي پاسخ وجود دارد و زمان لازم براي حدس‌زدن و آزمايش گزينه‌ي احتمالي براي همه‌ي آن‌ها يکسان است. هيچ راهنمايي يا نشانه‌اي براي يافتن پاسخ ارجح وجود ندارد و انتخاب تصادفي گزينه‌ها، فرقي با انتخاب آن‌ها بر اساس ترتيبي خاص ندارد.
اگر براي انتخاب و آزمايش گذرواژه از کامپيوترهاي الکترونيکي رايج استفاده کنيم، به‌طور متوسط پس از تعداد 2/n تلاش به نتيجه مي‌رسيم؛ يعني اگر چندين بار اين کار را با کامپيوترهاي الکترونيکي انجام دهيم، ميانگين تعداد تلاش‌هاي موفق به 2/n نزديک مي‌شود. اگر از رايانه‌هاي کوانتومي براي حل اين مسئله استفاده کنيم، زمان لازم براي دست‌يابي به گذرواژه‌ي درست با n√ (راديکال n) متناسب خواهد بود. مي‌بينيد هرچه n عدد بزرگ‌تري باشد، رايانه‌ي کوانتومي سريع‌تر به جواب مي‌رسد.
جست‌وجو در بانک‌هاي اطلاعاتي عظيم، يکي از اين نمونه‌مسائل است. فرض کنيد دفترتلفني در اختيار داريد که 100 ميليون نام و شماره در آن ثبت شده است. اگر با رايانه‌ي الکترونيکي معمولي بخواهيد عنواني را در اين دفترتلفن جست‌وجو کنيد، به‌طور ميانگين 50 ميليون عمليات لازم است تا به پاسخ برسيد؛ اما با استفاده از رايانه‌ي کوانتومي، پس از 10هزار عمليات به جواب مي‌رسيد.
2- تجزيه‌ي عددي با 617 رقم (متناظر با 2048 بيت) به عوامل اول، يکي از مسائلي است که ابررايانه‌هاي الکترونيکي نمي‌توانند آن را حل کنند؛ اما يک دستگاه رايانه‌ي کوانتومي ايده‌آل که 4096 کيوبيت داشته باشد، مي‌تواند اين مسئله را در 110 روز حل کند. رايانه‌ي کوانتومي قدرتمندتري که از 20 ميليون کيوبيت بهره مي‌برد، مي‌تواند همين مسئله را در 8 ساعت حل کند.
بخش اصلي اين مطلب، پيش‌ازاين در شبکه‌ي رشد منتشر شده است.
درباره این سایت