محاسبات كوانتومي چيست ؟

رايانش كوانتومي را مي‌توان دريچه‌اي براي ورود به دنيايي توصيف كرد كه در آن پيچيده‌ترين پردازش‌ها در كسري از ثانيه انجام مي‌شوند. اين همان انقلاب عظيمي است كه شايد با آن فاصله زيادي داشته باشيم؛ اما به سرعت در حال نزديك‌شدن به آن هستيم!

يكي از مهم‌ترين محدوديت‌هاي كامپيوتر‌هاي كلاسيك به كوچك‌سازي ترانزيستورها مربوط مي‌شود. درحال‌حاضر شركت‌هاي تراشه‌سازي واحدهاي ترانزيستور را تقريباً به اندازه يك اتم كوچك كرده‌اند كه پيشرفت شگرف و غير قابل باوري محسوب مي‌شود. براي درك بهتر آن، تصور كنيد كه در سيليكوني به ابعاد يك سكه كوچك مي‌توان ميلياردها ترانزيستور را تعبيه كرد! اما حتي اگر يك كامپيوتر كلاسيك به ما در انجام كارهاي شگفت‌انگيز كمك كند، زير كاپوت در واقع فقط يك ماشين حساب هستند كه از دنباله‌اي از بيت‌ها استفاده مي‌كند.

بسياري از فناوري‌هايي كه امروزه به واسطه‌ي عادت به حضورشان به‌راحتي آن‌ها را ناديده مي‌گيريم، مانند ترانزيستورهاي تلفن‌هاي همراه، LED چراغ قوه و دستگاه‌هاي MRI، همه مديون مكانيك كوانتوم هستند. اما كاربرد ديگر مكانيك كوانتوم كه ساير فناوري‌هاي كنوني به‌خوبي قادر به عملياتي كردن آن نيستند، محاسبات كوانتومي است كه روشي كاملا متفاوت براي ذخيره‌سازي و پردازش داده‌ ارائه مي‌دهد.

رايانش كوانتومي چيست؟

نظريه كوانتوم شاخه‌اي از فيزيك است كه به دنياي اتم‌ها و ذرات كوچك‌تر (زير اتمي) درون آن‌ها مي‌پردازد. در حقيقت، محاسبات كوانتومي نيز مبناي خود را بر اصولي پايبند كرده است كه دانشمندان سال‌ها در كوچك‌ترين ذرات طبيعت نظير اتم‌ها، فوتون‌ها يا الكترون‌ها مشاهده كرده‌اند. باب سوتور، متصدي اصلي بخش كوانتومي IBM، به زيبايي مي‌گويد كه محاسبات كوانتومي راه ما براي تقليد از طبيعت براي حل مشكلات فوق‌العاده دشوار، اما قابل حل آن‌ها است.

ممكن است فكر كنيد كه اتم‌ها نسخه بسيار كوچك ساير عناصر جهان باشند و دقيقا مانند آن‌ها رفتار مي‌كنند؛ اما كاملا در اشتباه هستيد. در مقياس اتمي، قوانين تغيير مي‌كنند و بسياري از قوانين كلاسيك فيزيك كه ما در دنياي روزمره خود آن‌ها مسلم مي‌دانيم، ديگر كاربرد و معنايي نخواهند داشت. شايد به‌توان دنياي كوانتومي را بسيار غريب و در عين حال آشنا توصيف كرد كه بسيار از دانشمندان را سردرگم و شيفته خود كرده است.

درحال‌حاضر، بسياري از مباني كوانتومي ناشناخته باقي مانده است؛ اما به قطعيت مي‌توان گفت كه اين حوزه داراي ظرفيت بسياري براي دگرگون ساختن بسياري از صنايع است. كنترل موفقيت‌آميز اين ذرات در كامپيوتر كوانتومي مي‌تواند باعث انفجار قدرت محاسباتي شود كه به‌طور خارق‌العاده‌اي نوآوري را در بسياري از زمينه‌ها كه نياز به محاسبات پيچيده دارند، مانند كشف دارو، مدل‌سازي آب‌وهوا و بهينه‌سازي مالي پيش مي‌برد.

كامپيوتر كوانتومي در واقع چيست

ايده اصلي نهفته در كامپيوتر‌هاي كوانتومي اين است كه مي‌توان از خواص و قوانين فيزيك كوانتوم براي ذخيره‌سازي و انجام عمليات روي داده‌ها استفاده كرد. كامپيوترهاي كوانتومي با تكيه‌بر ويژگي‌هاي كوانتوم ذرات زيراتمي، برخي محاسبات را سريع‌تر از كامپيوترهاي كلاسيك انجام مي‌دهند. در كامپيوترهاي سنتي، محاسبات پردازشي در مبناي ۲ انجام مي‌شود و هر بيت در وضعيت خاموش يا روشن قرار مي‌گيرد؛ اما واحد اطلاعات كوانتومي، كيوبيت (qbit)، با استفاده از ويژگي‌هاي مبتني‌بر كوانتوم مي‌تواند وضعيت خاموش و روشن يا هر مقداري بين آن‌ها را ارائه دهد كه به آن برهم‌نهي مي‌گويند. (در ادامه به‌تفصيل توضيح داده مي‌شود).

برهم‌نهي كوانتومي

در دنياي روزمره ما به‌نظر مي‌رسد اشياء در مسيري پيوسته حركت مي‌‌كنند، آب در وان به‌طور مداوم بالا مي‌رود و يك موشك به آساني به آسمان صعود مي‌كند؛ اما در حوزه كوانتومي همه‌چيز پرش و تكان مي‌خورد. الكترون متصل به مركز اتم مي‌تواند فوراً از يك مدار به مدار ديگر بپرد و در اصل از مدار اصلي ناپديد شده و در مدار جديد دوباره ظاهر شود. در جهاني كه مي‌شناسيم، يك ماشين به‌طور هم‌زمان دوچرخه و اتوبوس نيست.

بااين‌حال، در نظريه كوانتوم اين فقط يك چيز ديوانه كننده است كه مي‌تواند رخ بدهد. بارزترين مثال در اين مورد نظريه گيج‌كننده‌اي است كه به «گربه شرودينگر» شناخته مي‌شود. به‌طور خلاصه، در دنياي عجيب نظريه كوانتوم، مي‌توانيم شرايطي را متصور بود كه موجودي شبيه به گربه مي‌تواند هم‌زمان زنده و مرده باشد!

وقتي وارد دنياي ذرات اتمي و زير اتمي مي‌شويد، همه‌چيز شروع به رفتارهاي غير منتظره مي‌كند. در حقيقت، اين ذرات مي‌توانند در بيش از يك حالت در يك زمان وجود داشته باشند. اين توانايي است كه كامپيوتر‌هاي كوانتومي از آن استفاده مي‌كنند و اين ويژگي خاص را كيوبيت‌ها براي كامپيوترهاي كوانتومي به ارمغان مي‌آورند. براي نشان دادن تفاوت، يك كُره را تصور كنيد. بيت (واحد پردازش كامپيوترهاي مرسوم) مي‌تواند در هر يك از دو قطب كُره باشد؛ اما يك كيوبيت (واحد پردازش كامپيوترهاي كوانتومي) مي‌تواند در هر نقطه از كُره وجود داشته باشد.

كاربرد كامپيوتر كوانتومي

كامپيوترهاي كوانتومي نيز بر اساس گيت هاي سخت افزاري مشابه كامپيوترهاي معمولي يعني همان گيت هاي AND و NOT ساخته مي شوند. با اين وجود خروجي آنها ذاتا احتمالي است در نتيجه بايد صحت آن بررسي شده و خطاهاي بالقوه رفع شوند.

سخن پاياني

در اين مقاله سعي داشتيم كه مباحث و مباني رايانش كوانتومي را به‌صورت قابل فهمي ارائه بدهيم و اگر در بعضي از بخش‌ها كمي گمراه شديد، نگران نباشيد؛ چراگه قطعا تنها نيستيد. ازآنجاكه كل حوزه محاسبات كوانتومي هنوز تا حد زيادي انتزاعي و نظري است، تنها چيزي كه ما واقعاً بايد بدانيم اين است كه محاسبات كوانتومي درصورت تحقق وعده‌ها و گذار از چالش‌هاي متعدد، يك رنسانس جديد را در آينده صنايع ايجاد خواهد كرد و تأثير زيادي در نحوه انجام تجارت، اختراع داروها و مواد جديد، حفاظت از داده‌ها، كاوش در فضا، پيش بيني حوادث آب‌وهوايي و بسياري از زمينه‌هاي ديگر خواهد داشت.