تکنولوژی های مبتنی بر محاسبات کوانتومی: از مدارها تا پول های کوانتومی

اکنون دیگر مکانیک کوانتوم در زندگی روزمره ی ما جریان یافته و تکنولوژی های بسیاری به کمک آن متولد شده اند. در این مقاله تکنولوژی های مبتنی بر محاسبات کوانتومی را مرور خواهیم کرد. با دیپ لوک همراه باشید…

اگرچه برخی از افراد در مورد جزییات پدیده های کوانتومی، اطلاعات دقیقی ندارند، اما اکثر آنها خوب میدانند که کوانتوم سرشار از پدیده های عجیب و غریب است. مکانیک کوانتوم، جهانی را توصیف می کند که ما کاملاً با آن بیگانه ایم. به عنوان مثال برهم نهی کوانتومی، دو حالتی بودن همزمان یک ذره را نشان می دهد و درهم تنیدگی کوانتومی یا به قول اینشتین حرکت شبح وار هم به معنای ارتباط غیرقابل رویت دو جسم دور از هم است. حتی با وجود چنین عجایبی، نظریه ی کوانتوم به خوبی جای خود را در زندگی عادی ما انسان ها باز کرده است. جان فون نویمان، ریاضیدان مجارستانی در این مورد می گوید «شما نمی توانید مکانیک کوانتوم را بفهمید، بلکه فقط باید آن را استفاده کنید!»

بیشتر وسایل الکترونیکی امروزی بر اساس فیزیک کوانتوم ساخته شده اند و کاربرد نظریه ی کوانتوم در محاسبات  هم قطعاً راه را برای محاسبه ی مسائل دشوار و پیچیده ی امروزی باز خواهد کرد. تصور کنید یک پردازنده ی کوانتومی بتواند برای بدست آوردن نتایج همزمان جایگشت یک عدد بزرگ، از برهم نهی استفاده کند یا فرض کنید به علت درهم تنیدگی کوانتومی، سیستم هایی که دور از یکدیگر قرار دارند، مجاز به ارتباط و برهمکنش با یکدیگر باشند. محاسبه ی کوانتومی، پتانسیل بسیار عظیمی برای حل مسائل دشوار امروزی مانند شبیه سازی پاسخ بدن به داروها، پیش بینی الگوهای آب و هوایی یا آنالیز دیتابیس های بزرگ دارد.

نخستین ترانزیستور به اندازه ای بود که در دست جا می شد، در حالیکه ترانزیستورهای امروزی حدود ۱۴ نانومتر اندازه دارند، یعنی ۵۰۰ بار کوچکتر از گلبول قرمز خون! موسس کمپانی اینتل، گوردون مور، این کاهش شدید اندازه را پیش بینی کرد و در مدت ۵۰ سال این پیش بینی به واقعیت پیوست. اما این کاهش اندازه را دیگر نمی توان ادامه داد چرا که سیلیکون را نمی توان بیش از این، فشرده و کوچک کرد، بنابراین به رویکرد متفاوتی نیاز داریم.

ممکن است برخی از دوستان با ترانزیستور و کار آن آشنا نباشند که به زبان عامیانه می توان آن را به شکل زیر توضیح داد: ترانزیستور که یکی از قطعات بسیار مهم در الکترونیک به شمار می آید، یک نیمه هادی از جنس سیلیکون یا ژرمانیوم است. این قطعه به لطف خاصیت نیمه رسانایی خود، می تواند هدایت الکتریکی خود را تغییر داده و از حالت کاملاً هادی به حالت کاملاً عایق تغییر کند. بنابراین همانطور که متوجه شدید یکی از کاربردهای مهم آن، سوییچ کردن (خاموش/روشن کردن) و کاربرد دیگر آن، تقویت جریان است.

تولید سیستم های کوانتومی

پیشرفت هایی  که در زمینه ی تولید نیمه رسانا اتفاق افتاده، تولید انبوه مدارهای الکترونیکی و نیمه رساناهای کوانتومی را امکان پذیر کرده است. این تولیدات، اثرات کوانتومی مانند برهم نهی و درهم تنیدگی را از خود بروز می دهند. تصویر زیر که در مقیاس اتمی گرفته شده، سطح مقطع یکی از نامزدهای بالقوه برای ساخت یک کامپیوتر کوانتومی، یعنی حلقه ی نانویی نیمه رسانا را نشان می دهد. الکترون های به دام افتاده در این حلقه ها، ویژگی های عجیب مکانیک کوانتومی را نشان می دهند. اگرچه ممکن است بتوانیم یک کامپیوتر کوانتومی را با استفاده از ساختارهایی مانند این ها بسازیم، اما هنوز چالش های بزرگی در این راه وجود دارد.

در پردازنده ی یک کامپیوتر کلاسیکی، تعداد زیادی از ترانزیستورها به طور شرطی و قابل پیش بینی با دیگری برهمکنش می کنند. اما رفتار کوانتومی، بسیار آسیب پذیر است: به عنوان مثال در حیطه ی فیزیک کوانتوم حتی اندازه گیری حالت یک سیستم (مثلاً بررسی خاموش یا روشن بودن سوییچ)، نتیجه ی اندازه گیری را واقعاٌ تغییر میدهد. به هر حال سرمایه گذاری های بسیار عظیمی در این حوزه شده است، مثلاً دولت بریتانیا اعلام کرد که در سال ۲۰۱۴، حدود ۲۷۰ میلیون یورو برای تکنولوژی های کوانتومی سرمایه گذاری کرده است و غول هایی مانند گوگل و ناسا نیز در حال کار در این زمینه هستند. پیش بینی پیشرفت کار، واقعاً مشکل است، اما می توان به وجود یک کامپیوتر کوانتومی در ۱۰ سال آینده، امیدوار بود.

همانطور که میدانید عنصر بنیادی محاسبات کوانتومی، کیوبیت است. کیوبیت ها همزادهای کوانتومی بیت های کامپیوترهای سنتی هستند. تا کنون دانشمندان با روش های زیادی موفق شده اند کیوبیت ها را در سیستم های کوانتومی تولید کنند، از نقص های الماس گرفته تا نانوساختارهای نیمه رسانا و مدارهای ابرررسانا. هر یک از این موارد، مزایا و معایب خود را دارد، اما هنوز هیچ یک از آنها، تمام لازمه های یک کامپیوتر کوانتومی، یعنی معیارهای DiVincenzo را ندارند. اگر در مورد معیارهای DiVincenzo چیز زیادی نمیدانید، فایل PDf لکچر آن را از لینک زیر دانلود کنید:

دانلود لکچر DiVincenzo Criteria

رمزهای کوانتومی

مزایای تکنولوژی های کوانتومی به محاسبه محدود نمی شود و می توان از آن در موارد دیگر هم استفاده کرد. یکی از بهترین کاربردها، ارتباطات کوانتومی است. امروزه  کمپانی هایی مانند توشیبا و ID Quantiq،سیستم های ارتباط کوانتومی را به طور تجاری ارائه می دهند. اگرچه ساخت چنین سیستم هایی سخت و هزینه بر است، اما حالا کارآمدتر و مینیاتوری شده اند، درست مانند ترانزیستورهایی که طی ۶۰ سال گذشته، مینیاتوری شدند.

فیزیک کوانتومی همچنین می تواند از جعل اشیای گرانقیمت  مانند اسکناس یا الماس جلوگیری کند (شکل بالا). به  دلیل قواعد غیرمعمول فیزیک کوانتوم، ساخت یک کپی کامل (جعل) غیرممکن است و از طرفی اندازه گیری باعث تغییر سیستم می شود. این دو محدودیت، جعل اشیا را ناممکن می کند. پول کوانتومی یکی از ایده های بلندپروازانه ای است که در این حوزه مطرح شده است. پول کوانتومی یک طراحی پیش بینی شده برای اسکناس است که به خاطر قوانین مکانیک کوانتوم، امکان جعل آن وجود ندارد.

قطعاً بهبود تکنیک های تولید در مقیاس نانو، توسعه ی تکنولوژی های کوانتومی را شتاب خواهد بخشید. اگرچه محاسبه ی کوانتومی هنوز خیلی رشد نکرده، اما بی شک آینده ی هیجان انگیزی خواهد داشت.

منبع: phys.org

برای آگاهی از تازه ترین اخبار دیپ لوک؛ ایمیل خود را در فیلد زیر وارد کنید:

[wysija_form id=”1″]