پردازش کوانتومی -مقدمه

پردازش کوانتومی ما را در آغاز یک انقلاب جدید از اطلاعات قرارداده است. حدود سال ۱۹۵۰ بود که رایانه‌های گران‌قیمت آن‌هم فقط به تعداد متخصصین مورداستفاده قرار گرفت بااین‌وجود امروزه تعداد کامپیوترهای جهان بیشتر از آدم‌ها هستند.

حدود ۳۵ سال است که شرکت IBM تحقیقات بسیار گسترده‌ای را در حوزه اطلاعات و پردازش اطلاعات انجام داده است که کاملاً متفاوت با پردازش معمولی یا همان “کلاسیک” می‌باشد.این نوع جدید از اطلاعات که از آن به‌عنوان یک رؤیا نیز یادشده، اطلاعات کوانتومی نام دارد و هر واحد از این اطلاعات “کیوبیت” (Proneed Cue -bit)   نام دارد و ماشینی که این اطلاعات را پردازش می‌کند “کامپیوتر کوانتومی” نام دارد.

رایانه‌های کوانتومی، از پدیده‌ها و قوانین مکانیک کوانتوم مانند برهم‌نهی (super position) یا در هم تنیدگی (entanglement) برای انجام محاسبات استفاده می‌کنند. محیط فوق‌العاده سرد پیش‌شرط الزامی برای وادار کردن ذرات به بروز رفتارهای گروهی کوانتومی نظیر برهم‌نهی و درهم‌تنیدگی (حالتی که ذرات شروع به تعامل با یکدیگر کرده و رفتار کوانتومی مشابهی بروز می‌دهند) است/

بر اساس قوانین مکانیک کوانتومی کیوبیت‌های درهم‌تنیده صرف‌نظر از موقعیت مکانی هرکدام در فضا، همواره با یکدیگر در ارتباط باقی خواهد ماند. کوچک‌ترین تداخل حرارتی یا نوری می‌تواند کل پروسه و درنتیجه کارایی کامپیوتر کوانتومی را با اختلال مواجه کند. این کامپیوترها با کامپیوترهای فعلی که با ترانزیستورها کار می‌کنند تفاوت اساسی دارند. ایده اصلی که در کامپیوترهای کوانتومی نهفته است این است که می‌توان از خواص و قوانین فیزیک کوانتوم برای ذخیره‌سازی و انجام عملیات روی‌داده‌ها استفاده کرد.

معرفی

پردازش کوانتومی دستاوردی است که بسیاری از دانشمندان، کارآفرینان و سرمایه‌گذاران بزرگ دنیای فناوری آن را سکوی پرش به آینده‌ای کاملاً متفاوت محسوب می‌کنند. ایده‌ی پردازش کوانتومی نسبتاً جدید است و اولین بار در دهه‌های پایانی قرن بیستم توسط ریچارد فاینمن فیزیک‌دان نظری آمریکایی برجسته و برنده‌ی جایزه نوبل مطرح شد. او احتمال افزایش چشمگیر سرعت پردازش اطلاعات به کمک حالت‌های کوانتومی مختلف ذرات را در قالب یک تئوری قابل‌دستیابی و امکان‌پذیر مطرح کرد ولی فعالیت آزمایشگاهی که طبعاً اولین و مهم‌ترین گام در دستیابی به آن است، به دانشمندان فیزیک کاربردی محول شد.

پردازشگر کوانتوم مقوله‌ای کاملاً متفاوت است و دلیل آن عدم استفاده از منطق باینری می‌باشد. اگرچه هنوز هم با یک منطق بلی یا خیر سروکار داریم اما دیگر برنامه‌نویسان به سناریوی “اگر چنین شد، پس آن اتفاق بیفتد” محدود نبوده و می‌توانند از سناریوی “اگر چنین شد، پس آن اتفاق بیفتد و یا هردو مورد اتفاق بیفتند” استفاده کنند و همین امر باعث ایجاد تفاوت‌های اساسی خواهد شد.

ما به این جهان صفر و یکی یا همان تک‌حالتی عادت کرده‌ایم که یک شی در حالت عادی می‌تواند یا صفر باشد یا یک. مثلاً برای یک سکه میگوییم فقط می‌تواند شیر باشد یا خط. اما اگر بخواهیم طبق فیزیک کوانتوم آن را بیان کنیم حالت در هوا بودن و در حال چرخش آن را در نظر می‌گیریم و میگوییم یک سکه می‌تواند هم صفر باشد و هم یک. بنابراین تا زمانی که سکه به زمین نرسد، نمی‌توانیم بدانیم که شیر است یا خط! مشخصاً در این زمان، سکه هم خط است و هم شیر. ما یک مسئله را در مورد این سکه می‌دانیم. احتمال دارد سکه، شیر باشد یا خط، اما در محاسبات کوانتومی سکه‌ای که خط نیست، شیر هم نیست. به‌عنوان‌مثال، برحسب احتمالات، سکه می‌تواند ۲۰ درصد شیر و ۸۰ درصد خط باشد. اما از دید علمی چگونه امکان دارد که یک شی به این صورت باشد و چگونه می‌توان آن را به این صورت توصیف کرد؟

دانشگاه‌ها، آزمایشگاه‌های ملی و شرکت‌هایی مانند آی بی ام، گوگل، مایکروسافت و اینتل هم‌اکنون به دنبال ساخت و توسعه کامپیوترهای کوانتومی هستند. این شرکت‌ها و مؤسسات که تاکنون توانسته‌اند، کامپیوترهای کوانتومی با پردازنده‌های ۲۰ کوبیتی (یا بالاتر) توسعه دهند و به‌طور همزمان کامپیوترهای کوانتومی را با کامپیوترهای کلاسیک شبیه‌سازی کنند. اما حدود ۵۰ کوبیت محدود محسوب می‌شود. شرکت آی بی ام به‌تازگی، کامپیوتر کوانتومی ۵۶ کوبیتی را توسعه داده است، چیزی که در یک کامپیوتر کلاسیک به ۴.۵ ترابایت حافظه برای پردازش نیاز دارد.

محاسبات کوانتومی

وجود چند اصل مهم که مختص فیزیک کوانتومی است، آن را از دنیای کلاسیک جدا می‌سازد. این پدیده‌ها عبارتند از: برهم‌نهی(superposition)، تداخل (interference), Entanglement، عدم موجبیت (non determinism)، نا جایگزیدگی (non locality) و تکثیر ناپذیری (non clonability) . برای بررسی اثرات این پدیده‌ها در این پردازش جدید، لازم است که ابتدا واحد اطلاعات کوانتومی را معرفی کنیم.

هر سیستم محاسباتی دارای یک واحد پایه برای نمایش اطلاعات پردازش‌شده یا خام می‌باشد. در سیستم کلاسیک این واحد بیت نام دارد که برگرفته از نام (عدد دودویی) می‌باشد و تنها یکی از مقادیر مجاز این سیستم را می‌تواند در خود ذخیره سازد (یعنی صفر یا یک). به بیان دیگی می‌توان گفت هریک از این ارقام (صفر یا یک) کوچک‌ترین میزان اطلاعات قابل نمایش می‌باشند. چنین واحدی در سیستم کوانتومی کوبیت (qubit) یا همان بیت کوانتومی نام دارد. اما این تعریف خوبی برای واحد کیوبیت نمی‌باشد چراکه کیوبیت یک مفهوم انتزاعی نیست و اگر از ریاضیات برای توصیف آن استفاده می‌کنیم تنها به دلیل ماهیت کوانتومی آن می‌باشد.

کوبیت (مخفف بیت کوانتومی) همچون یک بیت معمولی است، اما درعین‌حال هم صفر و هم یک است.

توانایی و قدرت محاسبات کوانتومی

در یک سیستم کلاسیک اطلاعات به‌صورت یک سری بیت کدگذاری می‌شوند و این بیت‌ها از طریق گیت‌های منطقی بولین برای نتیجه نهایی دستکاری می‌شوند در یک سیستم کوانتومی نیز کوبیت‌ها یا بیت‌های کوانتومی را با اجرای یکی از گیت‌های کوانتومی دستکاری می‌کند و هر واحد انتقال بر روی یک تک کوبیت یا یک جفت کوبیت عمل می‌کند. با به کار بردن این کمیت‌های متوالی یک کامپیوتر کوانتومی می‌تواند یک واحد انتقال پیچیده از طریق مجموعه‌ای از کوبیت‌ها در بعضی حالات ابتدایی ایجاد کند. پیشبرد پروژه ایجاد رایانه‌های کوانتومی در یک رایانه کوانتومی به‌جای استفاده از ترانزیستورها و مدارهای رایانه‌ای معمولی از اتم‌ها و سایر ذرات ریز برای پردازش اطلاعات استفاده می‌شود. یک اتم می‌تواند به‌عنوان یک بیت حافظه در رایانه عمل کند و جابجایی اطلاعات از یک محل به محل دیگر نیز توسط نور امکان می‌پذیرد.

بیت کوانتومی در برابر بیت

یک کامپیوتر کوانتومی که دارای n بیت کوانتومی است با یک کامپیوتر کلاسیک که دارای n بیت کلاسیک است متفاوت است برای مثال برای نشان دادن حالت سیستم n بیت کوانتومی روی کامپیوتر کلاسیک، احتیاج به ذخیره n ضریب مختلط است.

جهان کوانتومی

یک کامپیوتر ۱۰۰۰ کیوبیتی می‌تواند در یک‌لحظه ۲ به توان ۱۰۰۰ حالت داشته باشد که برابر است با ۱۰ به توان ۳۰۰ حالت. در تمام جهان تنها ۱۰ به توان ۸۰ اتم وجود دارد. آیا این مسئله به معنای آن است که کامپیوتر کوانتومی به‌صورت هم‌زمان در ۱۰ به توان ۳۰۰ جهان موازی وجود دارد؟

آیا میلیاردها جهان مختلف می‌توانند به‌صورت هم‌زمان در یک کامپیوتر کوانتومی وجود داشته باشند؟ این‌چنین پرسشی از آن دسته سؤال‌هایی است که به‌هیچ‌عنوان در شرایط و زمان‌های عادی نباید برای یافتن پاسخ آن‌ها با ذهن خود کلنجار برویم. از طرف دیگر در حال حاضر پاسخ دادن به این سؤال اهمیت چندانی ندارد و در حال حاضر می‌خواهیم بدانیم که آیا واقعاً ایده‌ی کامپیوتر کوانتومی به تحقق رسیده است؟

در حال حاضر کامپیوتر کوانتومی با دریای بیکرانی از تئوری‌ها و فرضیه‌های موافق و مخالف محاصره شده است. داشتن پردازنده‌ای که توان آن به‌تنهایی به‌مراتب بیشتر از مجموع همه‌ی کامپیوترهای کلاسیک موجود باشد، بسیار وسوسه کننده است و اما دستیابی به آن گذر از مسیری بسیار دشوار را طلب می‌کند.

به همین دلیل است که کامپیوتر  ۲X شرکت D-Wave بیش از ۱۵ میلیون دلار قیمت دارد و تاکنون فقط معدودی از سازمان‌ها موفق به خریداری آن شده‌اند؛ ازجمله گوگل، لاکهید مارتین و ناسا. از طرف دیگر سرمایه‌گذاری افرادی مثل جف بزوس (مؤسس آمازون) و مؤسساتی مثل شاخه‌ی فناوری‌های مدرن CIA و In-Q-Tel در D-Wave حکایت از آینده‌ی امیدبخش کامپیوتر کوانتومی این شرکت دارد.

پیش‌بینی می‌شود که پردازش کوانتومی به‌طورکلی چهره‌ی فناوری‌های مثل هوش مصنوعی و رمزنگاری اطلاعات را متحول خواهد کرد و احتمالاً پایه‌گذار پیشرفتی خواهد شد که حاصل آن ماشین‌هایی با توانایی تفکر انسان گونه با همه ظرافت‌ها و پیچیدگی‌های آن است.

چشم‌انداز کامپیوترهای کوانتومی

همه‌ی محققان و افراد مهم فعال در زمینه‌ی محاسبات کوانتومی حتی رابرت اوالد، موافق‌اند که ما با دیدن کامپیوترهای کوانتومی در زندگی روزمره فاصله زیادی داریم. آزمایش‌های هیجان‌انگیزی در این زمینه انجام شده است، اما محققان اذعان دارند که هنوز در اوایل راه ساخت یک کامپیوتر کوانتومی کاربردی هستند.

انبوهی از چالش‌ها مانند اصلاح خطا وجود دارد و پس از آن مشکلات مربوط به انتقال اطلاعات کوانتومی بین کامپیوترهای دور یا اطلاعات ذخیره شده کوانتومی در حافظه‌های طولانی مدت هم در میان است. اینکه آیا شرکت‌ها و مؤسساتی هستند که به‌طور مخفی مشغول کار روی کامپیوترهای کوانتومی هستند هم موضوع دیگری است که به نظر نمی‌رسد، چنین مؤسساتی هم یک مدل فوق‌العاده پیشرفته در دست ساخت داشته باشند.