کامپیوتر کوانتومی چیست و نحوه عملکرد آن چگونه است؟ | کاربرد کامپیوتر های کوانتومی

رایانهٔ کوانتومی ماشینی است که از پدیده‌ها و قوانین مکانیک کوانتوم مانند برهم نهی (Superposition) و درهم تنیدگی (Entanglement) برای انجام محاسباتش استفاده می‌کند. کامپیوترهای کوانتومی با کامپیوترهای فعلی که با ترانزیستورها کار می‌کنند تفاوت اساسی دارند. ایده اصلی که در پس کامپیوترهای کوانتومی نهفته است این است که می‌توان از خواص و قوانین فیزیک کوانتوم برای ذخیره‌سازی و انجام عملیات روی داده‌ها استفاده کرد. یک مدل تئوریک و انتزاعی از این ماشین‌ها، ماشین تورینگ کوانتومی (Quantum Turing Machine) است که کامپیوتر کوانتومی جهانی (Universal Quantum Computer) نیز نامیده می‌شود.

اگر چه محاسبات کوانتومی تازه در ابتدای راه قرار دارد، اما آزمایش‌هایی انجام شده که در طی آنها عملیات محاسبات کوانتومی روی تعداد بسیار کمی از کوبیت‌ها اجرا شده است. تحقیقات نظری و عملی در این زمینه ادامه دارد و بسیاری از موسسات دولتی و نظامی از تحقیقات در زمینه کامپیوترهای کوانتومی چه برای اهداف غیرنظامی و چه برای اهداف امنیتی (مثل تجزیه و تحلیل رمز، Cryptanalysis) حمایت می‌کنند. اگر کامپیوترهای کوانتومی در مقیاس بزرگ ساخته شوند، می‌توانند مسائل خاصی را با سرعت خیلی زیاد حل کنند (برای مثال الگوریتم شُور، Shor’s Algorithm). البته باید توجه داشت که توابعی که توسط کامپیوترهای کلاسیک محاسبه پذیر (Computable) نیستند، توسط کامپیوترهای کوانتومی نیز محاسبه پذیر نخواهند بود. این کامپیوترها نظریه چرچ-تورینگ را رد نمی‌کنند. کامپیوترهای کوانتومی فقط برای ما سرعت بیشتر را به ارمغان می‌آورند.

کامپیوترهای کوانتومی چه هستند؟

مفهوم کامپیوترهای کوانتوم بسیار جدید است. این مفهوم در دهه ۸۰ توسط ریچارد فینمن (Richard  Feynman) ارائه شد. او یک نابغه فیزیک نظری اهل آمریکا بود که موفق به دریافت جایزه نوبل هم شده بود. وی پتانسیل کامپیوترهای کوانتوم را در پردازش سریعتر پیش‌بینی کرده بود ولی فیزیک نظری همه چیز را در حد پیش‌بینی و حرف ارائه می‌کند و کار ساخت را به مهندسان و فیزیکدانان عملی واگذار می‌نماید.

در کامپیوترهای معمولی که امروزه همه ما در اختیار داریم، تنها دو گزینه وجود دارد: روشن یا خاموش، صفر یا یک. تمام اطلاعاتی که در کامپیوترهای فعلی ذخیره می‌شود چیزی جز رشته‌هایی از صفر و یک نیست. در رم و سی‌پی‌یو مدارها را به گونه‌ای طراحی کرده‌اند که وقتی جریان یا بار ذخیره شده از حدی کمتر بشود، صفر و بیشتر از آن حد یک تلقی می‌گردد. در هارد دیسک این صفر و یک به وسیله مغناطیس بودن یا نبودن و یا به وسیله‌ی قطب شمال و جنوب مشخص می‌شود.

بله درست است. کل سیستم پیچیده‌ای که در دستان شما و در جیب شماست چیزی جز مجموعه‌ای از صفر و یک نیست. هر برنامه‌ای که بر روی موبایل خود اجرا می‌کنید، حاصل انجام اعمال ریاضی و منطقی بر روی رشته‌ای از صفر و یک است. هر واحد کوچک که یک صفر یا یک را ذخیر می‌کند یک بیت نامیده می‌شود. توان کامپیوتر شما به تعداد ترانزیستورهای دودویی است که در سی پی یو آن قرار دارد.

تاریخچه کامپیوتر کوانتومی

در سال ۱۹۷۱، اولی پردازشگر اینتل با ۲۳۰۰ ترانزیستور ساخته شد. پردازنده‌های فعلی اینتل بیش از ۵ میلیارد ترانزیستور دارند. درست است که این عدد بسیار بزرگی است و نسبت به سال ۱۹۷۱ پیشرفت زیادی صورت گرفته است ولی اصل قضیه عوض نشده است و هم‌چنان در قید و بند دو حالت صفر و یک هستیم. کامپیوترهای کوانتوم این محدودیت دو حالتی صفر و یک را از بین می‌برند.

در دنیای فیزیک کوانتوم، ذرات می‌توانند مانند موج عمل کنند. یعنی هر ذره می‌تواند هم ذره باشد، هم موج و هم ذره و موج. این مسأله را در مکانیک کوانتوم برهم‌ نهی می‌نامند. به دلیل برهم نهی، یک بیت کوانتومی می‌تواند در حالت صفر، یک یا صفر و یک باشد. یعنی یک بیت کوانتومی می‌تواند دو محاسبه را در آن واحد انجام دهد. دو بیت کوانتومی چهار محاسبه انجام می‌دهند، سه بیت ۸ محاسبه و به همین ترتیب. توجه کنید که این تمام این حالات در آن واحد می باشند. یعنی یک کامپیوتر کوانتوم با سه بیت می تواند در یک لحظه در هشت حالت باشد ولی در کامپیوترهای دودویی این سه بیت در هر لحظه در یکی از این هشت حالت هستند.

نحوه عملکرد ذرات در فیزیک کوانتوم

نحوه عملکرد ذرات در فیزیک کوانتوم هنوز در دنیای فیزیک نظری مورد بحث است. مورد توافق‌ترین نظریه اینست که حالات کوانتوم مختلف در جهان‌های جدا از هم وجود دارند. کامپیوتر کوانتوم ساخت شرکت D-Wave که در بخش بعدی در مورد آن صحبت خواهیم کرد، هزار بیت کوانتومی دارد. این ۱۰۰۰ بیت کوانتومی به صورت همزمان می‌توانند در ۲ به توان ۱۰۰۰ حالت باشند.

آیا ممکن است میلیاردها جهان با هم در یک کامپیوتر وجود داشته باشد؟ این سؤال یکی از پیچیده‌ترین سؤالات پیش روی بشر است. زیاد هم مهم نیست که جواب این سؤال چه باشد، تنها چیز مهم اینست که آیا این کامپیوتر کار می‌کند؟

متخصصین بر این باورند که کامپیوترهای کوانتوم در هوش مصنوعی و رمز‌نگاری انقلابی به پا می‌کنند. به کمک این کامپیوترها روزی خواهد رسید که رایانه می‌تواند کاملاً مانند انسان فکر کند و تحلیل نماید.

آیا کامپیوترهای کوانتومی ساخته شده اند؟

شرکتی به نام D-Wave ادعا دارد که اولین کامپیوتر کوانتوم را ساخته است. این شرکت تنها از ۱۴۰ نفر تشکیل شده است. این افراد همگی از نوابغ و متخصصین برجسته حوزه کاری خود هستند. کامپیوتر ساخت آن‌ها در یخچالی استوانه‌ای نگهداری می‌شود. یخچالی که دمای آن به منفی ۲۷۳ درجه سانتی‌گراد می‌رسد. یعنی نزدیک به صفر مطلق.

نگهداری کامپیوتر در این دما برای برقرار بودن اصول برهم نهی و درهم تنیدگی ضروری می‌باشد. در این حالت ذرات به صورت اسرارآمیزی با یکدیگر واکنش نشان می‌دهند و بیت‌های کوانتومی بدون توجه به مکانشان از طریق مکانیک کوانتوم با هم مرتبط می‌شوند. هر گونه گرما و نوری می‌تواند فعالیت کامپیوتر را با مشکل روبرو کند.

قیمت کامپیوتر شرکت D-Wave پانزده میلیون دلار است و تنها چند شرکت همانند گوگل، ناسا و لوک هید مارتین یکی از آن را خریده‌اند. سرمایه‌گذاران این شرکت افرادی مانند جف بزوس، مدیر عامل آمازون و شرکت فناوری وابسته به سیا، In-Q-Tel می‌باشند.

یکی از بنیان‌گذاران این شرکت، فردی است به نام Geordie Rose. وی یک دکترای فیزیک ۴۴ ساله است که از کار در آزمایشگاه‌های علمی و شرایط محدود خسته شده و تصمیم گرفته است یک نمونه کاربردی و عملی از آنچه به صورت نظری بیان شده است بسازد.

در ابتدا همه به ایده‌ی Rose برای ساخت کامپیوتر کوانتومی که واقعاً کار کند با دیده تردید می‌نگریستند. تمام تلاش‌های قبلی برای ساخت کامپیوتر کوانتوم شامل جایگزینی بیت کوانتوم با ترانزیستور بود که هیچ بهبود خاصی ایجاد نمی‌کرد.

ایده ساخت کامپیوتر کوانتومی برای چه کسی است؟

Rose ایده ساخت کامپیوترهای کوانتوم ایزوله را مطرح کرد. یعنی کامپیوتری که گرما به آن راه ندارد. این کامپیوتر با فرآیندی به نام ذوب کوانتومی یا تونلینگ کار می‌کند. این یعنی که الگوریتمی ساخته‌اید که به بیت‌های کوانتومی بر اساس مدل کلاسیک تعاملات خاص تخصیص می‌دهد. یعنی در ابتدا به بیت‌های کوانتومی مقادیر صفر و یک می‌دهیم. سپس شرایط به گونه ای فراهم می‌شود که برهم نهی کوانتومی اتفاق بیفتد. در این صورت، بیت‌های کوانتومی حالات نامتناهی خود را کشف می‌کنند. بیت‌های کوانتومی کوتاه‌ترین مسیر از نظر انرژی را بر اساس نیازهای الگوریتم، طی می‌کنند و این یعنی که بهینه‌ترین جواب برای الگوریتم به دست آمده است.

حتماً با خود می‌گویید چه توضیحات عجیب و دشواری. چیزی که توضیح دادن آن در چند خط تا این حد مشکل است، تصور کنید که ساخت آن چقدر دشوار بوده است. اولین تست کامپیوتر کوانتوم D-wave در سال ۲۰۰۷ برای حل یک سودوکو انجام شد. این کامپیوتر تنها ۱۶ بیت کوانتوم داشت. نتیجه چندان رضایت‌بخش نبود. تا جایی که Umesh Vazirani، مؤلف مقاله‌ی نظریه پیچیدگی کوانتومی (Quantum Complexity Theory) کامپیوتر ساخت D-wave را رد کرد و گفت که: «اگر این واقعاً یک کامپیوتر کوانتوم است و اگر واقعا می‌توان هزاران بیت را در خود بگنجاند، نتیجه آن با یک گوشی همراه تفاوت چندانی ندارد.»

بخشی از مشکل به دلیل دشواری تشخیص اتفاقاتی است که در بیت‌های کوانتومی رخ می‌دهد. شرکت D-Wave تست دیگری انجام داد که توسط دانشمندی بی‌طرف ترتیب داده شده بود. در این تست نشان داده شده که پدیده انگیزش واقعاً رخ می‌دهد. مخالفان گفتند که تنها تست واقعی، تست عملکرد در حل مسأله است.

در سال ۲۰۱۳، کامپیوتر D-wave 2 تست شد. در این تست مشخص شد که این کامپیوتر ۳۶۰۰ برابر سریعتر از کامپیوترهای معمولی عمل می‌کند. ولی باز هم مخالفانی نتایج را زیر سؤال بردند. یکی از مخالفان سرسخت کامپیوترهای کوانتومی D-Wave فردی است به نام Scott Aaronson. وی استاده دانشگاه MIT است. به عقیده وی ممکن است اثرات کوانتومی در کامپیوتر D-Wave رخ دهند ولی دلیلی بر سریعتر بودن این کامپیوتر نسبت به رایانه‌های قدیمی وجود ندارد.

گوگل و کامپیوتر کوانتومی

سال قبل گوگل این کامپیوتر را آزمود و نتیجه نشان داد که این کامپیوتر صد برابر سریعتر از کامپیوترهای سنتی است. موافقان می‌گویند اگر این سرعت بیشتر به دلیل کوانتوم نیست، پس به چه دلیل است؟ حتی Aaronson هم که خود را سردمدار مخالفان کامپیوترهای D-wave می‌داند، نتیجه تست گوکل را تحسین کرد.

البته کامپیوتر کوانتوم D-Wave تنها می‌تواند مسائل بهینه‌سازی را حل کند. مسائل بهینه‌سازی دسته‌ای از مسائل هستند که در آن‌ها به دنبال بهترین جواب هستیم. این بهترین جواب می‌تواند کمینه‌ کردن هزینه یا بیشینیه کردن سود باشد. این مسائل در گستره وسیعی از علوم همانند هوش مصنوعی، زیست‌شناسی، اقتصاد، مدیریت و پزشکی ظاهر می‌شوند.

در میان تمام این مخالفت‌ها و موافقت‌ها در مورد کامپیوتر D-Wave، چیزی که همه بر آن توافق دارند اینست که تلاش برای ساخت کامپیوتر کوانتوم حتی اگر با شکست هم روبرو شود، درک ما را از فیزیک کوانتوم بالا خواهد برد. فیزیک کوانتوم به شدت پیچیده و اسرارآمیز است ولی درک آن موجب تحول در نگاه بشر به جهان هستی می‌شود. بنابراین کامپیوترهای کوانتوم تلاشی برای افزایش درک بشر در مورد جهان هستی هستند.

محاسبات کوانتومی در مقابل محاسبات سنتی

قبل از شکافتن بیشتر این موضوع، دانستن نحوه کار کامپیوترهای کوانتومی و تفاوت آن ها با ماشین های سنتی اهمیت دارد.

کامپیوترهای کوانتومی از پردازنده هایی ساخته شده اند که حاوی واحدهایی به نام qubit (کیوبیت) که از آن ها با نام quantum bit (بیت های کوانتومی) هم یاد می شود، هستند. این واحدها از مزایای فیزیک کوانتومی که در خارج از قلمرو نیوتون می تواند کار کند استفاده می کنند. به عبارت دیگر، آن ها به قوانینی که بر جهان بصری و چیزهایی که با چشم دیده می شوند محدود نیستند. آن ها با توجه به قوانین درون اتمی رفتار می کنند.

به جای درگیر شدن با عملکردهای باینری “۰” و “۱” برای مدل های معمول “خاموش” و “روشن” و تبدیل داده ها به این دو عدد، کامپیوترهای کوانتومی ۰ و ۱ را ترکیب و غیر قابل تمیز دادن و به هم پیوسته می کنند.

این ویژگی متناقض به کامپیوترهای کوانتومی امکان محاسبات فوق العاده بزرگی را می دهد. برای مثال، جهت درک بهتر تفاوت توانایی محاسباتی بین یک لپتاپ و یک کامپیوتر کوانتومی، به تفاوت های بین یک ارابه ای که توسط اسب کشیده می شود و فضاپیمای Dragon از شرکت Space-X فکر کنید. این قیاس می تواند نشان دهد که چه میزان ماشین های کوانتومی نسبت به کامپیوترهای عهد دایناسور مزیت دارند.

در کل کوانتوم چیست و چرا کامپیوتر کوانتومی داریم؟

در علم فیزیک کوانتوم به مبحث ترکیب شدن ۰ و ۱ “superposition” یا “چند حالتی” می گویند. برای مثال، این موضوع که نور می تواند هم ذره و هم موج باشد به خوبی شناخته شده است. این پدیدهدو گانگی موجی ذره ای نام دارد.

علاوه بر این، ذرات می توانند ادغام شوند. طبق فیزیک کوانتوم، آن ها طی یک خلسه ارتعاشی به هم متصل می شوند. به این رفتار عجیب entanglement گفته می شود و این موضوع در حوزه چیپ های کامپیوتری هم اتفاق میافتد، همانطور که در کل جهان اتفاق میافتد.

زمانی که با کامپیوترهای کوانتومی سر و کار داریم، کنترل این حالات در مقیاس بسیار کوچک با پردازنده های فراسرد دشوار است. به همین دلیل است که کامپیوترهای کوانتومی هنوز برای اینکه بصورت تجاری در دسترس باشند آماده نیستند.

در حال حاضر کامپیوترهای کوانتومی در مراحل اولیه توسعه هستند. آن ها تنها برای برخی پروژه ها یا مقاصد خاص استفاده شده اند و موارد استفاده عملی کمی برای آن ها وجود دارد. هرچند در مقاله ای که در ماه آوریل در Newsweek منتشر شد، نوشته شده که آن ها دیر یا زود اجرایی خواهند شد و از بسیاری از سوپر کامپیوترهای ما قوی تر خواهند بود.

این مقاله می نویسد:« Jerry Chow یکی از اعضای دپارتمان محاسبات کوانتومی IBM می گوید که در نهایت محاسبات کوانتومی می تواند از سریع ترین سوپرکامپیوترهای دنیا و همچنین ترکیب تمام کامپیوترهایی که تا به حال ساخته شده بهتر عمل کند. ما هنوز به آنجا نرسیده ایم، اما محاسبات کوانتومی به نقطه ای خواهد رسید که توان حل مشکلاتی که کامپیوترهای امروزی قادر به حل آن نیستند را داشته باشد. او در ادامه می گوید که IBM می خواهد یک سیستم ۵۰کیوبیتی را تا چند سال دیگر بسازد.

گوگل نیز می خواهد ساخت یک سیستم ۴۹کیوبیتی را تا پایان ۲۰۱۷ به اتمام برساند.»