کامپیوتر کوانتومی چیست؟ چگونه کار می کند، چرا اینقدر قدرتمند است و در چه جایی به کار ما می آید؟

کامپیوتر کوانتومی ازبرخی پدیده های عجیب و غریب مکانیک کوانتومی کمک می گیرد تا جهش هایی عظیم را در قدرت پردازش خود ارائه کند. ماشین های کوانتومی حتی از توانمندترین ابر رایانه های امروز و فردا پیشی خواهند گرفت.

اما این اتفاق برای کامپیوترهای معمولی نمی افتد. استفاده از این دستگاه های کلاسیک، آسانترین و اقتصادی ترین راه حل برای مقابله با اکثر مشکلات خواهد بود. به هر صورت رایانه های کوانتومی، نوید بخش پیشرفت هایی مهیج در زمینه های مختلف اند، از علوم مواد گرفته تا تحقیقات دارویی. شرکت ها در حال حاضر از آنها برای آزمایش های خود استفاده می کنند تا مواردی مانند باتری های سبک تر و قدرتمندتر برای اتومبیل های برقی تولید کرده و یا به تولید داروهای جدید کمک کنند.

راز قدرت یک کامپیوتر کوانتومی در توانایی تولید و دستکاری بیت های کوانتومی یا کیوبیت (qubit ) نهفته است.

کیوبیت چیست؟

رایانه های امروز از بیت استفاده می کنند - جریانی از پالس های الکتریکی یا نوری که نمایانگر 1 یا 0 است. همه چیز از توییت ها و نامه های الکترونیکی گرفته تا آهنگ های iTunes و فیلم های یوتیوب، اساساً رشته هایی طولانی از این رقم های باینری است.

از طرف دیگر، رایانه های کوانتومی از کیوبیت استفاده می کنند، که به طور معمول، ذرات زیر اتمی مانند الکترون یا فوتون است. تولید و مدیریت کیوبیت، یک چالش علمی و مهندسی است. برخی از شرکتها مانندIBM ، Google و Rigetti Computingاز مدارهای ابر رسانای خنک شده در دمای سردتر از فضای عمیق (فضای خارج از منظومه شمسی و بدون جاذبه) استفاده می کنند. برخی دیگر مانند IonQ، اتمهای فردی را در میدانهای الکترومغناطیسی، روی تراشه سیلیکون و در محفظه های خلاء بسیار پرقدرت به دام می اندازند. در هر دو مورد، هدف این است که کیوبیت ها در یک حالت کوانتومی کنترل شده باشند.

کیوبیت دارای برخی از ویژگی های کوانتومی عجیب و غریب اند. یک گروه متصل از کیوبیت ها می تواند قدرت پردازش بیشتری نسبت به همان تعداد بیت های باینری فراهم کند. یكی از این خصوصیات به عنوان اجتماع اثرات(superposition) و دیگری به نام در هم تنیدگی(entanglement )شناخته می شوند.

اجتماع اثرات(superposition) چیست؟

کیوبیت ها می توانند چندین ترکیب احتمالی از 1 و 0 را به طور همزمان ارائه دهند. این توانایی حضور همزمان در چندین حالت، superposition نامیده می شود. محققان برای رسیدن به این حالت، کیوبیت ها را با استفاده از لیزرهای دقیق یا پرتوهای مایکروویو، دستکاری می کنند.

به کمک این پدیده غیرعادی، یک کامپیوتر کوانتومی با تعداد چند قطعه، می تواند تعداد زیادی از نتایج بالقوه را به طور همزمان به دست آورد. نتیجه نهایی یک محاسبه فقط پس از اندازه گیری کیوبیت ها به دست می آید که بلافاصله باعث می شود حالت کوانتومی آنها به 1 یا 0 کاهش یابد.

در هم تنیدگی(entanglement ) چیست؟

محققان می توانند جفت کیوبیت هایی درهم تنیده تولید کنند. به این معنی که دو عضو به صورت یک جفت و در یک حالت کوانتومی واحد وجود دارد. تغییر وضعیت یکی از کیوبیت ها، وضعیت عضو دیگر را به شکلی سریع و البته قابل پیش بینی تغییر می دهد. حتی اگر فاصله این دو بسیار زیاد باشد، باز هم تغییر شرایط یک عضو بر عضو دیگر تاثیر می گذارد.

هیچ کس کاملاً نمی داند entanglement چطور یا چرا کار می کند! حتی انیشتین از تعریف آن عاجز بود و این اتفاق را "اقدام شبح وارانه از راه دور" توصیف می کرد! اما به هر صورت، از این خاصیت در رایانه های کوانتومی استفاده می شود. در یک رایانه معمولی، دو برابر کردن تعداد بیت ها، قدرت پردازش آن را دو برابر می کند. اما به لطف entanglement، اضافه کردن کوبیت های اضافی به دستگاه کوانتومی، باعث "افزایش نمایی" در توانایی آن ها می شود.

گسسته شدن چیست؟

تعامل کیوبیت ها با محیط به شکلی که باعث شود رفتار کوانتومی آنها پوسیده شده و در نهایت از بین برود، گسسته شدن (decoherence) نامیده می شود. حالت کوانتومی، کیوبیت ها بسیار شکننده اند. کوچکترین لرزش و یا تغییر در دما – در اصطلاح به این اتفاقات، نویز(noise) گفته می شود. - می تواند باعث شود که کیوبیت ها قبل از اتمام کار، از superposition خارج شود. به همین دلیل است که محققان برای محافظت از کیوبیت ها، از شرایط محیطی بسیار سرد و اتاق های خلاء استفاده می کنند.

اما با وجود تلاش های آنها، نویز هنوز هم باعث می شود اشتباهات زیادی به محاسبات وارد شود. الگوریتم های کوانتومی هوشمند می توانند برخی از این موارد را جبران کرده و افزودن تعداد بیشتری از کیوبیت نیز به شما کمک می کند. با این حال، به احتمال زیاد، به هزاران کوبیت استاندارد برای ایجاد یک واحد بسیار قابل اعتماد، معروف به یک کیوبیت منطقی(logical” qubit)، نیاز داریم. این مسئله، حجم زیادی از ظرفیت محاسباتی یک کامپیوتر کوانتومی را از بین می برد.

تاکنون محققان نتوانسته اند بیش از 128 کوبیت استاندارد تولید کنند. بنابراین ما هنوز سالهای زیادی از ماشین کوانتومی مطلوبمان فاصله داریم

برتری کوانتومی چیست؟

برتری کوانتومی، نقطه ای است که یک کامپیوتر کوانتومی می تواند یک محاسبه ریاضی را انجام دهد که تقریباً قدرتمندترین ابر رایانه قادر به انجام آن نیست.

هنوز مشخص نیست که برای رسیدن به این هدف، چند کیوبیت نیاز است زیرا محققان برای افزایش کارایی ماشین های کلاسیک، الگوریتم های جدیدی پیدا می کنند و سخت افزار ابر رایانه نیز بهبود می یابد. اما محققان و شرکت های زیادی در تلاش اند تا این ایده را به واقعیت تبدیل کنند.

در مورد اینکه چقدر دستیابی به این نقطه عطف مهم خواهد بود، بحث های زیادی وجود دارد. شرکت ها به جای اینکه منتظر اعلام برتری باشند، در حال حاضر آزمایش بر روی رایانه های کوانتومی ساخته شده توسط شرکت هایی مانند IBM ، Rigetti و D-Wave را آغاز کرده اند. شرکت های چینی مانند Alibaba نیز به ماشین های کوانتومی دسترسی دارند. برخی از مشاغل، کامپیوترهای کوانتومی را خریداری می کند، در حالی که برخی دیگر، از رایانه هایی استفاده می کند که از طریق خدمات رایانش ابری در دسترس است.

در چه نقطه ای، استفاده از یک کامپیوتر کوانتومی در اولویت قرار می گیرد؟

یکی از امیدوارکننده ترین کاربردهای رایانه های کوانتومی، برای شبیه سازی رفتار ماده تا سطح مولکولی است. تولیدکنندگان اتومبیل مانند Volkswagen وDaimler از کامپیوترهای کوانتومی برای شبیه سازی ترکیب شیمیایی باتری های وسایل نقلیه الکتریکی استفاده می کنند تا به یافتن راه های جدید برای بهبود عملکرد خود کمک کنند. و شرکتهای داروسازی برای تحلیل و مقایسه ترکیباتی که می تواند به ایجاد داروهای جدید منجر شود، از آنها استفاده می کنند.

این ماشین ها همچنین برای مشکلات بهینه سازی بسیار عالی اند زیرا می توانند خیلی سریع، راه حل های بالقوه را با سرعت زیاد حل کنند. به عنوان مثال، ایرباس از آنها برای کمک به محاسبه کارآمدترین مسیرهای صعود و فرود هواپیما استفاده می کند. برخی محققان همچنین فکر می کنند از این ماشین ها می توان برای سرعت بخشیدن به هوش مصنوعی استفاده کرد.

ممکن است چند سال طول بکشد تا کامپیوترهای کوانتومی بتوانند به پتانسیل کامل خود دست یابند. دانشگاه ها و مشاغلی که روی این ماشین ها تحقیق می کنند، با کمبود محققان ماهر در این زمینه و کمبود در برخی از امکانات مواجه اند. اما اگر این ماشینهای جدید محاسباتی عجیب و غریب به برتری عطف خود یعنی برتری کوانتومی برسند، می توانند کل صنایع و نوآوری جهانی را تغییر دهند.