یکی از رضایت بخش ترین جوانب شغل من، مطالعه و تحقیق و پیاده سازی بی وقفه جدید ترین و جالب ترین تکنولوژی های موجود در دنیا هست تا شاید روزی بتونم به طور کاربردی از اون ها داخل پروژه های نرم افزاری استفاده کنم. این حس دقیقا دلیل کشیده شدن من به دنیای هوش مصنوعی هم بود.
چند سال پیش مطالعاتی درمورد مکانیزم های کوانتومی داشتم ولی به دلایلی رها شد. اخیرا تصمیم گرفتم با یه رویکرد کاربردی تر مطالعات در این حوزه رو شروع بکنم تا شاید بتونم یه روزی با این مبحث به سیستم های کاربردی برسم.
توی این مقاله میخوام به زبان خیلی ساده و کوتاه مباحث کلی فیزیک کوانتوم رو توضیح بدم. همچنین نحوه کارکرد کوانتوم کامپیوتر ها رو بررسی کنم.
این واژه توی زبان لایتن به معنی «مقدار» هست. توی مبحث فیزیک، کوانتوم به بررسی رفتار ذرات بسیار کوچک سازنده ی عالم هستی گفته میشه. در کل میشه گفت علم فیزیک علم پیشبینی هست. پیشبینی رفتار هر چیزی. به این ترتیب فیزیک کوانتوم رو میتونیم اینطوری تعریف کنیم:علم شناخت و پیشبینی ذرات بسیار کوچک!
چقدر کوچک؟
اگر فرض کنیم که توپ بیسبال اندازه خورشید باشه، میتونیم بگیم حدودا اندازه یک اتم به اندازه یک دانه ی شن هست!
حالا فرض کنید که اتم به اندازه خورشید باشه، الان یک الکترون به اندازه دانه شن هست! این رابطه باز هم بین اندازه یک الکترون و اندازه یک ذره به اسم Fuzzy cold dark matter صدق میکنه. پس وقتی از بررسی رفتار ذرات کوچک صحبت میکنیم، منظورمون در این حد کوچک هست.
یک قطره آب رو در نظر بگیرید. حالا بیاید اون قطره رو به ذرات سازندش تقسیم کنیم.
توی اولین مرحله میتونیم اون رو به ملوکول های آب تفکیک کنیم. یعنی H2O.
مرحله ی بعدی میتونیم باز هم مولکول رو تفکیک کنیم و برسیم به اتم ها. یک اتم اکسیژن و دو اتم هیدروژن.
باز هم میتونیم اتم هارو به اجزای کوچکتر تقسیم بندی کنیم. یعنی نوترون پروتون و الکترون.
تا جایی که علم امروز پیش رفته دیگه نمیشه الکترون رو به اجزای کوچکتر تقسیم بندی کرد. ولی میتونیم پروتون و نوترون رو باز هم به اجزای کوچکتر تقسیم بندی کنیم.
پروتون و نوترون از ذراتی به اسم کوارک ها و گلون ها ساخته میشن. ولی باز هم نمیتونیم کوارک ها و گلون ها رو به اجزای کوچکتر تفکیک کنیم.
به الکترون، کوارک و گلون میگیم ذرات elementary. کوچکترین ذرات سازنده ی دنیا که دیگه قابل تفکیک نیستن.
عکس پایین، ذرات شناخته شده ی elementary هستند:
علم کوانتوم یعنی بررسی رفتار این ذرات و پیشبینی نحوه کارکرد اونها توی محیط های مختلف و نحوه ارتباط اون ذرات باهم.
من به این نتیجه رسیدم که برای درک حدودی مباحث فیزیک کوانتوم، باید کل فیزیک کلاسیک روز مره رو از ذهنمون پاک کنیم! چون اگر بخوایم فیزیک کوانتوم رو با فیزیک نیوتونی (کلاسیک) مقایسه کنیم به هیچ نتیجه منطقیی نمیرسیم!
توی زندگی روزمره ی ما، هر وسیله، ابزار یا در کل هر شیئ ویژگی های خودشو داره.و در هر لحظه میتونه یک ویژگی داشته باشه. یک سیب سرخ نمیتونه هم زمان یک سیب سبز باشه و یک گربه نمیتونه همزمان هم رو به جلو و هم رو به عقب حرکت کنه!
ولی توی دنیای کوانتوم اینطور نیست! یک ذره میتونه هم زمان توی نقطه ی A و B و C حضور داشته باشه، میتونه در عین اینکه رو به بالا در حال چرخش هست رو به پایین هم در چرخش باشه و یا اینکه هم زمان هیچ چرخشی نداشته باشه. در واقع هر ذره حاوی تمامی احتمالات ممکن درمورد ویژگی های خودش در یک زمان هست. به این مفهوم میگن superposition یا برهم نهی.
اگر فکر میکنید این مفهوم خیلی عجیب غیر قابل هضم هست، باید بگم برای چیزای عجیب تر خودتون رو آماده کنید.
گفته میشه ذرات کوانتومی هم رفتار موج گونه از خودشون نشون میدن و هم رفتار ذره گونه. یعنی گاهی مثل یک ذره شن قابل اندازه گیری هستن و گاهی مثل نور(*) و صدا موج گونه رفتار میکنن.
که البته یک دیدگاه خیلی سطحی و نسبتا غیر علمی هست. منظور از موج یک «موج از احتمالات» هست. نه یک موج فیزیکی و قابل اندازه گیری با مبنا های علمی مربوط به خصوصیات موج. این موج احتمالات به ما میگه که با چه احتمالی «وضعیت» مورد نظرمون از اون ذره رو توی بعد زمان-فضا شاهد باشیم.
شاید دوران دانشگاه یا دبیرستان به شما گفته باشن که الکترون در حال چرخش دور هسته ی اتم، در واقع مثل یک ابر دیده میشه. که بهش میگن ابر الکترونی. الکترون در هر لحظه میتونه روی تمام نقاط مدار چرخشش باشه که تشکیل یک ابر رو میده. این موضوع همون دوگانگی ذره-موج هست. یعنی احتمال اینکه اون الکترون در هر جای مدار خودش دور اتم باشه بیش از ۰ هست! اگر به هر نقطه از مدار الکترون یک عدد احتمال رو نسبت بدیم، به یک سری از اعداد که مثل موج هستن میرسیم.
بذارید این رو با یک آزمایش عجیب علمی ثابت کنیم. آزمایش معروف «شکاف دوتایی»:
صفحه ی پشتی الکترون ها رو دریافت میکنه و یک اثر روی خودش به جا میذاره. این اثرات الکترون های تابیده شده روی صفحه هست:
همینطور که میبینید الکترون ها به صورت موج به صفحه برخورد کردند!
و حالا نکته ی ترسناک! الکترون ها حتی وقتی به صورت تکی شلیک میشن باز هم یک الگوی موج شکل تولید میکنن! با اینکه هیچ الکترون دیگه ای وجود نداره که باهاش برخورد بکنن و روی هم تاثیر بذارن!
یعنی الکترون با خودش برخورد میکنه؟ یا توی هوا به ذرات کوچکتر تقسیم میشه و قبل از برخورد دوباره تبدیل به یک الکترون میشه؟!
دانشمندا برای اینکه بفهمن دقیقا چه اتفاقی برای الکترون ها میفته، روی شکاف ها سنسور نصب کردن که متوجه بشه وقتی یک الکترون شلیک میشه از کدوم اون شکاف ها رد میشه.
و میخ کوب شدن!
الکترون ها مثل اینکه متوجه شدن دارن اندازه گیری میشن و دیگه رفتار موج گونه از خودشون نشون ندادن. و کاملا مثلا ذرات معمولی عمل کردن! یعنی به جای اینکه یک الگوی موج گونه روی صفحه دوم ایجاد کنن،یک الگو با دو ستون ایجاد کردند. مثل پرتاب هر ذره ی دیگه ای از دو شکاف.
به این رفتار عجیب میگن پارادوکس اندازه گیری!
ما با «شاهد» بودن ذرات کوانتومی رفتار اون هارو تغییر میدیم. و این رو بگم که هیچ جادویی در کار نیست!
به این اتفاق میگن «سقوط تابع موج» یا «wave function collapse» که یکی از کاربردی ترین ویژگی های دنیای کوانتومی برای کوانتوم کامپیوتر هاست. همینطور که قبلا گفتیم ذرات کوانتومی تمامی حالات ممکن خودشون رو در یک زمان دارن.
وقتی اندازه گیری انجام میشه، اون ذره مجبوره خودش رو به «یک حالت ممکن» نشون بده و در واقع موج احتمالات اون ذره توی یک نقطه از خودش به اوج برسه.
بهتون پیشنهاد میکنم که در این مورد تحقیق کنید. دانشمندا تلاش کردن که این ذرات رو «گول» بزنن ولی هر بار به نتایج میخ کوب کننده ای از دنیای کوانتومی رسیدن.
این مبحث تنها مبحث از فیزیک کوانتوم هست که دانشمند معروف، آلبرت انیشتین رو تا مغز استخون ترسوند! تا جایی که اسم این اتفاق رو «اتفاق ترسناک در فاصله» یا «spooky action at a distance» گذاشت.
این اتفاق به زبان ساده، وابستگی دو یا چند ذره کوانتومی به هم دیگه هست. یعنی وقتی یک ذره رو اندازه گیری کنیم، میتونیم حالت ذره یا ذره های وابسته به اون رو با احتمال صد درصد بدون اندازه گیریشون به دست بیاریم. حتی اگر به اندازه کل کهکشان بین اون ها فاصله باشه! و این یکی از اصلی ترین قوانین انیشیتن رو نقض میکنه: اینکه اطلاعات با حداکثر سرعت نور میتونن توی فضا منتشر بشن. ولی به وسیله ی درهم تنیدگی کوانتومی، اطلاعات در همون لحظه منتقل میشن. (البته این رو بگم که به این موضوع امیدوار نباشید که بتونیم به این وسیله اطلاعات رو جابجا کنیم! چون ما هیچ کنترلی روی مقادیر اندازه گیری شده نداریم.)
حالا میتونیم اطلاعاتی که تا الان رو به دست آوردیم باهم جمع کنیم و به کامپیوتر های کوانتومی برسیم. کامیپوتر های کلاسیک به وسیله ی کوچک ترین واحد اطلاعات یا Bit کار میکنن. که میتونن ۰ یا ۱ باشن. با کنار هم قرار دادن یکسری Gate مثل And، Or، XOR و ... میتونیم bit ها رو دستکاری کنیم و برنامه های کاربردی و قابل اجرا بسازیم.
ولی کامپیوتر های کوانتومی به جای bit های کلاسیک، با بیت های خاصی کار میکنن به اسم Qubit.
کیوبیت ها برخلاف بیت های کلاسیک که میتونن فقط در یک لحظه ۰ یا ۱ باشن، میتونن در یک زمان تمامی مقادیر بین صفر تا یک باشن!
و این دلیل قدرت بسیار بالای این کامپیوتر هاست. به دلیل وجود کیوبیت ها، ما میتونیم تمامی پاسخ های صحیح مسائل مون رو در یک زمان داشته باشیم!
مثل کامپیوتر های کلاسیک، کوانتوم کامپیوتر ها هم از Gate ها برای تغییر روی کیوبیت ها کمک میگیرن. گیت هایی مثل:
هر کدوم از این گیت ها روی یک یا چند کیوبیت تاثیر میذارن، میتونن اون هارو در هم تنیده کنن و وضعیت اون ها رو تغییر بدن و اندازه گیری کنن.
هر چقدر تعداد کیوبیت های یک کامپیوتر کوانتومی بیشتر باشه، اون کامپیوتر قدرتمند تر هست. در حال حاضر قدرتمند ترین کامپیوتر کوانتومی دارای 1121 کیوبیت هست.
با استفاده از قدرت بسیار بالای پردازشی کامپیوتر های کوانتومی ما میتونیم در کسری از ثانیه مسایل بسیار پیچیده رو حل کنیم، شبیه سازی های باور نکردنی انجام بدیم و حوزه های مختلف مثل پزشکی، ساختمان سازی، کشاورزی، نظامی و... دچار تحول کنیم.
در حال حاضر موضوع کوانتوم کامپیوتر ها در حال تحقیق و توسعه هست و نمیتونیم فعلا انتظار بالایی از اون داشته باشیم. ولی بنظر من در آینده میتونی دلیلی شروع Singularity باشه!
