کامپیوتر های کوانتومی به درد نخور !‌

در انتهای پست قبلی گفتیم که کامپیوتر های کوانتومی قرار نیست مثل سوپرمن بیان و تمام مشکلات کمبود قدرت سخت افزاری ما رو حل بکنند !‌
اینجا قراره بگیم چرا اونجا این حرف رو زدیم !؟
اما بیاید یکم عمیق تر بشیم و ببینیم اصلا کامپیوترهای کوانتومی چی هستند .


کامپیوتر های کوانتومی قرار نیست مثل سوپرمن بیان و تمام مشکلات کمبود قدرت سخت افزاری ما رو حل بکنند !‌
d
کامپیوتر های کوانتومی قرار نیست مثل سوپرمن بیان و تمام مشکلات کمبود قدرت سخت افزاری ما رو حل بکنند !‌ d

کامپیوتر های کوانتومی با استفاده از قوانین فیزیک کوانتوم (‌یا مکانیک کوانتوم ) کار میکنند. دانشمندان وقتی داشتن رفتار حرکات ذرات بسیااااار ریز رو بررسی میکردند، متوجه شدند که رفتارشون نرمال نیست و تابع قوانین فیزیک کلاسیک ( فیزیک نیوتونی ) نیستند. به خاطر همین یک علم جدیدی به اسم فیزیک کوانتوم یا مکانیک کوانتوم به وجود اومد که رفتار این ذرات بسیار کوچک را توجیه میکنه. برای اینکه متوجه بشیم که کامپیتر های کوانتومی چجوری کار میکنن اول بیاید یه نگاه سریع به کامپیوتر های کلاسیک ( مثل همین دستگاهی که دارید باهاش این متن رو میخونید ) بندازیم و ببینیم چجوری کار می کنند.

کامپیوتر های کلاسیک از هزاران هزاران ترانزیستور ساخته شدن که هر ترانزیستور میتونه یا مقدار یک منطقی رو داشته باشه، یا صفر منطقی ( همون ۰ و ۱ های معروف !‌ ) . با استفاده از این ترانزیستور ها ما تونستیم گیت های منطقی رو بسازیم ( Logic Gates ) و باهاشون محاسباتمون رو انجام بدیم. چند تا از معروف ترین هاشون هم AND , OR , NOT , NAND, NOR هستند که حتما آشنان براتون. با استفاده از این گیت های منطقی ما تونستیم از پس حل محاسبات بسیار ساده ( مثل جمع دو عدد صحیح ) تا محاسبات پیچیده ای مثل پرتاب سفینه های فضایی به خارج جو زمین، بربیایم ( کد آپولو ۱۱ رو ببینید برای فان ) .

اما مشکل وقتی به وجود اومد که توی بعضی از کارها ما دچار مشکل کمبود قدرت پردازش شدیم. کارهایی مثل Optimization یا Encryption یا حتی فیت کردن شبکه های عصبی بزرگمون. به عنوان مثال پردازش بعضی از این کارها ممکن هست که تا چند صد سال طول بکشه. اینجا بود که دانشمندان علوم کامپیوتر، با نبوغ زیاد اومدن و کامپیوتر های کوانتومی رو ساختند. حالا کامپیوتر های کوانتومی چجوری کار میکنند ؟‌


 محاسبات پیچیده ای مثل پرتاب سفینه های فضایی به خارج جو زمین
محاسبات پیچیده ای مثل پرتاب سفینه های فضایی به خارج جو زمین



کامپیوتر های کوانتومی بر خلاف کامپیوتر های کلاسیک که با بیت ها ( bit ) سر و کار داشتند، با مفهومی به نام Qbit یا Qubit کار میکنند. Qbit ها، این موجودات شگفت انگیز، میتوانند بر خلاف بیت ها که یا صفر بودند یا یک ، سه مقدار بگیرند. صفر ، یک ، و صفر و یک ( همزمان ) . این حالت از کیوبیت که هم صفر هست هم یک به کمک مفاهیم مکانیک کوانتوم امکان پذیر است که به آن SuperPosition میگوییم.

سوپرپوزیشن و قضیه گربه شرودینگر !‌

برای توضیح سوپرپوزیشن، یک قضیه بسیار معروف به اسم قضیه گربه شرودینگر وجود دارد که در ادامه توضیحش میدیم .
یک دانشمند مکانیک کوانتوم به نام آقای شرودینگر برای توضیح مفهمو سوپرپوزیشن قضیه ای مطرح کرد:

اگر ما یک گربه رو بزاریم توی یه جعبه که توش یک سم کشنده وجود داره و در جعبه رو ببندیم، مادامی که در جعبه رو باز نکردیم و توش رو ندیدیم، گربه هم مرده است هم زنده !‌

به این میگن سوپر پوزیشن، حالا توی کامپیوتر های کوانتومی هم داستان همینه، یک کیوبیت توی حالت سوپرپوزیشن، هم یک هست و هم صفر و اگر ما اون رو از یک فیلتر رد کنیم ( درب جعبه رو باز کنیم ) میتونیم بفهمیم که کیوبیت صفر هست یا یک (‌گربه مرده یا زنده است )

برای درک بهترش اینجوری تصور کنید که مثلا اگر یک اتم در راستای افقی نوسان کنه معنیش اینه که مقدارش یک هست ، اگر در راستای عمودی نوسان کنه مقدارش صفر هست و اگر در هر دو راستا نوسان کنه ، سوپر پوزیشن اتفاق میفته.اما این تنهای دلیلی نیست که ما عاشق کوانتوم کامپیوتر ها هستیم. دلیل دیگرش مفهومی هست به اسم Entanglement.

داستان Entanglement

داستان Entanglement از این قراره که میگه :‌

وقتی دو یا چند کیوبیت که با هم در ارتباط هستند، مقدارشان باهم ارتباط دارند و بی تاثیر از هم نیستن و مهم هم نیست که چقدر از هم دیگه دور هستن.

مثلا اگر یکی از آن ها بعد از اندازه گیری مقدار یک را داشته باشد ما بدون اندازه گیری میدونیم اون یکی که توی یک سیاره دیگه است ، مقدارش مثلا صفر هست.

حالا این کیوبیت ها چجوری به کمک ما میان ؟ با یک مثال توضیح میدیم :‌
فرض کنید که شما ۴ بیت در اختیار دارید . با ۴ بیت شما میتونید یک عدد ۴ بیتی داشته باشید . یعنی یک حالت از ۱۶ حالت ممکن رو میتونید داشته باشید . اما اگر به جای ۴ بیت ، ۴ تا کیوبیت داشته باشید ، میتونید تمام ۱۶ حالت ممکن رو همزمان داشته باشید ( سوپرپوزیشن!‌ ) .

گربه شرودینگر
گربه شرودینگر


کامپیوتر های کوانتومی توی تسک ها و کار هایی که نیاز به انجام دادن کلی کار سخت هست و میتونه به صورت موازی انجام بشه به کمک ما میان . به عنوان مثال پیدا کردن کوتاه ترین مسیر بین دو نود در یک گراف، یا کرک کردن یک کد، یا بهینه سازی یا ...

( شاید بعدا درباره استفاده از کوانتوم کامپیوتر ها برای آموزش یک شبکه عصبی عمیق صحبت کنیم )

حالا میرسیم به عنوان این مقاله و اینکه چرا گفتم کامپیوتر های کوانتومی به درد نخور!‌
اول باید اعتراف کنم که سعی کردم تیتر رو جوری بنویسم که آدمای بیشتری متن رو بخونن :))‌
اما دلیل داشتم واسه ادعام . خیلی جاها شنیدین که تا سال های آینده کامپیوتر های کوانتومی جای کامپیوتر های کلاسیک رو میگیرن . این ۱۰۰٪ اتفاق نخواهد افتاد . دلیلش هم اینه که کامپیوتر های کوانتومی لزوما و ۱۰۰٪ از کامپیوتر های کلاسیک توی همه زمینه ها سریع تر نیستن. گفتیم که این نوع کامپیوتر های توی تسک های خاص خفنن و نه توی همه تسک ها و کار ها، یعنی شما برای مثلا ایمیل چک کردنتون ، فرقی نمیکنه که از کامپیوتر معمولی استفاده کنید یا کوانتومی . علاوه بر این ، کامپیوتر های کوانتومی خیلیی گرونن !‌‌ خیلی !‌ خیلی زیاد !‌ نمیصرفه واسه فیلم دیدن و ایمیل چک کردن ازش استفاده کرد :))‌
همینطور اینکه کوانتوم کامپیوتر ها ، هزینه نگهداری خیلی زیادی دارن ( مثلا همیشه باید توی دمای -273 درجه باشن و اگر یه درجه بالا پایین شن اتفاق های بدی میفته !‌ D:

تازه یه مشکل بزرگتر ، از اونجایی که بیت ها و ترانزیستور ها در کوانتوم کامپیوتر ها کنار رفتند ، طبیعیه که بدونیم کامپیوتر های کوانتومی از گیت های منطقی هم استفاده نمیکنن و گیت های مخصوص خودشون رو دارند . یعنی برنامه نویسی با این کامپیوتر ها به طور کلی با برنامه نویسی که ما میدونیم فرق داره و تقریبا همه چیز !‌ همه چیز، باید از اول نوشته بشه برای این کامپیوتر ها .

نمونه یک کوانتوم کامپیوتر
نمونه یک کوانتوم کامپیوتر



خلاصه که این کامپیوتر های کوانتومی زیاد به درد مردم نمیخورن و واسه استفاده ما کامپیوتر های کلاسیک بهترن. بهترین نوع استفاده از این کامپیوتر ها اینجوریه که یکی از این ها روی Cloud باشه و ما در ازای پرداخت کردن مبلغ کمی ماهیانه ، بتونیم بعضی از پردازش هامون رو بفرستیم اون برامون انجام بده و نتیجه رو بگه، که در همین حالت هم بیشتر مهندس ها و هکر ها و دانشمندا از این سرویس استفاده میکنن ،‌ نه هر عموم مردم . آی بی ام هم همین الان یک کوانتوم کامپیوتر ۵ کیوبیتی روی Cloud گذاشته که آدم ها استفاده کنن !‌


در آخر اینکه : من خیلی جسارت به خرج دادم و پام رو توی این مقوله ها گذاشتم و توضیح دادم . این ها بحث های بسیار پیچیده مکانیک کوانتوم بود و من علمی و دقیق مکانیک کوانتوم نمیدونم ، این مقاله در حد یک گیک که توی اینترنت چرخ زده و واسش جالب شده و خونده و برای شما نوشته ، است !‌
اگر شما تخصصی در این زمینه دارید خوش حال میشم پیام بدین ، ایرادم رو بگیرید . ممنونم.