كامپیوتر كوانتومی چیست؟
مداربسته: با داغ شدن بازار شایعات در مورد دستاورد اخیر گوگل، چنین بنظر می رسد كه برای اولین بار یك دستگاه كامپیوتر ی كوانتومی توانسته است محاسبه ای را یك میلیارد بار سریع تر از قوی ترین ابررایانه ی كنونی جهان انجام دهد. به همین بهانه نگاهی می اندازیم به ساختار كامپیوتر ی كوانتومی و آنچه در آینده ی نه چندان دور، در انتظار ما خواهد بود.
شاید باورتان نشود كه چه قدرتی در جیب های ما پنهان است. منظورمان گوشیهای هوشمند امروزی است كه قدرت پردازش آنها، از ابررایانه های نظامی نیم قرن پیش كه فضایی به اندازه ی یك اتاق را اشغال می كردند، بیشتر است. در اوج جنگ جهانی دوم، رئیس شركت IBM تصور می كرد كه فقط پنج دستگاه كامپیوتر ی همه جانبه مانند «انیاك» برای حل همه ی مشكلات جهان كافی است؛ اما امروز، كامپیوتر هایی به مراتب سریع تر در جای جای زندگی بشر حضور دارند و وابستگی ما به استفاده از آنها هم روزبه روز بیشتر می شود. توسعه ی كامپیوتر ها و ابررایانه ها به قدری سریع پیش می رود كه پیش بینی شده تا سال ۲۰۴۰ میلادی (۱۴۱۹ شمسی)، انرژی مصرفی همه ی كامپیوتر ها و ابزارهای همراه از توان فناوری های امروز برای تولید انرژی فراتر خواهد رفت و جهان شاهد خاموشی های گسترده خواهد بود.
هرچند مهندسان كامپیوتر و الكترونیك در شركت هایی مانند اینتل، ARM (سازنده ی تراشه های كوالكوم) و انویدیا به طراحی پردازنده های سریع تر، كم مصرف تر و بهینه تر مشغولند؛ اما بیشتر پژوهشگران در تلاشند كامپیوتر های كوانتومی را از ابزاری آزمایشگاهی به محصولی تجاری تبدیل كنند. كامپیوتر های كوانتومی، به مراتب سریع تر و بهینه تر از كامپیوتر های الكترونیكی امروزی هستند و می توانند با حل مسائلی كه پیشرفته ترین ابررایانه های الكترونیكی قادر به پردازش آنها نیستند، انقلابی در پیشرفت تمدن بشر ایجاد كنند. اما كامپیوتر ی كوانتومی چیست، چگونه كار می كند و چه فایده ای دارد؟
كامپیوتر كوانتومی D-Wave: شركت كانادایی «D-Wave» یكی از اولین عرضه كنندگان كامپیوتر های كوانتومی تجاری است و پردازنده ی كوانتومی آن ۲۰۰۰ كیوبیت را پردازش می كند. پردازنده ی D-Wave برمبنای پروسه خنك سازی بی دررو عمل می كند و در محاسبات مسائل بهینه سازی به كار می آید، به این جهت برخی كارشناسان، این پردازنده را جزء پردازنده های كوانتومی به حساب نمی آورند.
محدودیت های كامپیوتر ی الكترونیكی
سخت افزار كامپیوتر های امروزی بر پایه ی قطعه ای الكترونیكی به نام «ترانزیستور» عمل می كند. شاید در كلاس ریاضی مدرسه با نوشتن اعداد در مبنای ۲ و حساب كردن با آنها آشنا شده باشید. با عبور یا قطع جریان الكتریكی در ترانزیستورها می توان مقادیر ۰ و ۱ را تعریف كرد و محاسبات پیچیده ای روی آنها انجام داد. قدرت محاسبات پیشرفته ترین ابررایانه ی امروزی كه «SUMMIT» نام دارد، ۱۲۲٫۳ پتافلاپس است، یعنی این ابررایانه می تواند در هر ثانیه ۱۲۲٬۳۰۰٬۰۰۰٬۰۰۰٬۰۰۰٬۰۰۰ محاسبه روی اعداد اعشاری انجام دهد؛ اما ابررایانه ها از حل برخی مسائل پیچیده، مانند شكستن رمزنگاری امنیت تبادلات بانكی یا تجزیه ی اعداد بسیار بزرگ به عوامل اول، ناتوانند.
فیزیك كوانتومی و كیوبیت
تصور كنید توپی پلاستیكی را پیوسته به دیوار روبه روی خودتان پرت می كنید. هرچند بار كه این كار را تكرار كنید، می بینید كه توپ بعد از برخورد به دیوار، برمی گردد. به بیان دیگر، توپ همیشه در این سوی دیوار باقی می ماند و هیچ گاه آن سوی دیوار دیده نمی گردد. این آزمایش، نمونه ای از پدیده های بزرگ مقیاس است كه با «فیزیك كلاسیك» و «مكانیك نیوتنی» توصیف می شود. حال اگر ابعاد توپ و دیوار را كوچك و كوچك تر نماییم، با نتایج عجیبی روبه رو می شویم. تصور كنید توپ به ابعاد یك ذره ی الكترون رسیده و دیوار مقابل هم سد متراكمی است كه حفره ای برای گذر الكترون ندارد. اگر به دفعات الكترون را به این دیوار پرتاب نماییم، مشاهده می نماییم كه بعضی وقت ها برمی گردد، بعضی وقت ها آن سوی دیوار ظاهر می شود (گویی از میان دیوار، تونل زده) و بعضی وقت ها درون دیوار به دام می افتد. به بیان دیگر، پرتاب الكترون به دیوار نفوذناپذیر همیشه پیامد یكسانی ندارد و الكترون با احتمال های مختلفی برمی گردد، تونل می زند یا به دام می افتد. این آزمایش، نمونه ای از پدیده های ریزمقیاس است كه با «فیزیك كوانتومی» توصیف می شود و این حالت های مختلف را با موجودی ریاضیاتی به نام «تابع موج» توضیح می دهیم.
فیزیك دانان توانسته اند با استفاده از پدیده های كوانتومی، كیوبیت (واحد اطلاعات كوانتومی) بسازند. در شرایطی كه بیت های الكترونیكی یا در حالت خاموش (۰) یا در حالت روشن (۱) قرار دارند، كیوبیت ها می توانند ۰، ۱ یا هر مقداری بین آنها داشته باشند. برای درك بهتر، یك كره را تصور كنید. در كامپیوتر الكترونیكی، هر بیت فقط می تواند روی قطب شمال یا قطب جنوب كره قرار داشته باشد؛ اما كیوبیت می تواند روی هر نقطه ای از سطح كره قرار بگیرد؛ بدین سبب كیوبیت می تواند اطلاعات به مراتب بیشتری را در خود ذخیره كند. محاسبات كوانتومی هم روی تابع موج كیوبیت ها انجام می شود و ازآنجایی كه در هر مرحله از محاسبات، اطلاعات بیشتری پردازش می شوند؛ سرعت پردازش كامپیوتر ی كوانتومی به شكل نمایی افزوده می شود.
توجه: برای مشاهده ی اینفوگرافیك در ابعاد بزرگ، تصویر را در پنجره ی تازه ای باز كنید.
انقلاب كامپیوتر های كوانتومی
رایانه های كوانتومی قرار نیست جایگزین كامپیوتر های الكترونیكی شوند. قرار دادن كیوبیت ها در حالت های شكننده ی كوانتومی و نگهداری آنها در این وضعیت، نیازمند شرایط بسیار دشوار و فوق العاده سردی (نزدیك به صفر مطلق) است. برای فراهم آوردن این شرایط خاص، از سیستم های خنك كننده ی رقیق ساز استفاده می شود كه در اینفوگرافیك زیر، ساختار آنرا نشان داده ایم. كامپیوتر های كوانتومی فقط برخی مسائل خاص را سریع تر از ابررایانه های الكترونیكی حل می كنند و ابررایانه ها، كماكان بخش مهمی از سخت افزارهای آینده را تشكیل خواهند داد. پیش بینی دقیق تأثیر كامپیوتر های كوانتومی بر پیشرفت تمدن بشر و تأثیر آن بر زندگی روزمره، كار سختی است؛ اما شركت های بزرگی مانند آی بی ام، گوگل، مایكروسافت و حتی اینتل، پروژه های بزرگی را برای ساخت كامپیوتر ی كوانتومی تجاری در دست اجرا دارند. افزایش دقت شبیه سازی های كامپیوتری و به خصوص پدیده های ریزمقیاس كوانتومی، طراحی و آزمایش داروهای جدید، پیش بینی وضعیت هوا، تحلیل داده و هوش مصنوعی از مهم ترین كاربردهای كامپیوتر های كوانتومی خواهد بود.
چند مثال ساده
۱- می خواهیم پسورد ی (پسوورد) فایل رمزگذاری شده ای را پیدا نماییم. تنها چاره این مسئله آن است كه پسورد را حدس بزنیم و آنرا امتحان نماییم. n حالت ممكن برای پاسخ وجود دارد و زمان لازم برای حدس زدن و آزمایش گزینه ی احتمالی برای همه ی آنها یكسان است. هیچ راهنمایی یا نشانه ای برای یافتن پاسخ ارجح وجود ندارد و انتخاب تصادفی گزینه ها، فرقی با انتخاب آنها برمبنای ترتیبی خاص ندارد.
اگر برای انتخاب و آزمایش پسورد از كامپیوترهای الكترونیكی رایج استفاده نمائیم، بطور متوسط بعد از تعداد ۲/n تلاش به نتیجه می رسیم؛ یعنی اگر چندین بار این كار را با كامپیوترهای الكترونیكی انجام دهیم، میانگین تعداد تلاش های موفق به ۲/n نزدیك می شود. اگر از كامپیوتر های كوانتومی برای حل این مسئله استفاده نمائیم، زمان لازم برای دست یابی به پسورد ی درست با n√ (رادیكال n) متناسب خواهد بود. می بینید هرچه n عدد بزرگ تری باشد، كامپیوتر ی كوانتومی سریع تر به جواب می رسد.
جست وجو در بانكهای اطلاعاتی عظیم، یكی از این نمونه مسائل است. فرض كنید دفترتلفنی در اختیار دارید كه ۱۰۰ میلیون نام و شماره در آن ثبت شده است. اگر با كامپیوتر ی الكترونیكی معمولی بخواهید عنوانی را در این دفترتلفن جست وجو كنید، بطور میانگین ۵۰ میلیون عملیات لازم است تا به پاسخ برسید؛ اما با استفاده از كامپیوتر ی كوانتومی، بعد از ۱۰هزار عملیات به جواب می رسید.
۲- تجزیه ی عددی با ۶۱۷ رقم (متناظر با ۲۰۴۸ بیت) به عوامل اول، یكی از مسائلی است كه ابررایانه های الكترونیكی نمی توانند آنرا حل كنند؛ اما یك دستگاه كامپیوتر ی كوانتومی ایده آل كه ۴۰۹۶ كیوبیت داشته باشد، می تواند این مسئله را در ۱۱۰ روز حل كند. كامپیوتر ی كوانتومی قدرتمندتری كه از ۲۰ میلیون كیوبیت بهره می برد، می تواند همین مسئله را در ۸ ساعت حل كند. بخش اصلی این مطلب، پیش ازاین در شبكه ی رشد انتشار یافته است.
منبع: مداربسته
این مطلب را می پسندید؟
(1)
(0)
تازه ترین مطالب مرتبط
نظرات بینندگان در مورد این مطلب