راهکار خلاقانه ای برای پیشرفت مقیاس پذیری کامپیوترهای کوانتومی !

استفاده از الگوریتم تجریه ی یک عدد به اعداد اول، محدودیت هایی داشت که اکنون دانشمندان موفق شده اند که این محدودیت ها را تقلیل دهند. با دیپ لوک همراه باشید…

عدد ۱۵ را در نظر بگیرید. این عدد به چه عددهای اولی تجزیه می شود؟ حتی یک دانش آموز دبیرستانی هم می تواند بطور ذهنی بگوید که جواب ۳ و ۵ است. حال اگر عدد مورد سوال به مثلا ۹۱ تغییر کند، برای بدست آورن جواب به قلم و کاغذ نیاز است. حال اعدادی با ۲۳۲ رقم را در نظر بگیرید! قطعاً برای محاسبه ی جواب، باید صدها کامپیوتر کلاسیک موازی به مدت دو سال، به کارگرفته شود. به دلیل دشواری تجزیه ی اعداد بزرگ، این مساله، اساس بیشتر طرح های رمزنگاری برای محافظت از کارت های اعتباری، اسرار دولتی و دیگر اطلاعات محرمانه است. به نظر می رسد یک کامپیوتر کوانتومی ساده بتواند به راحتی این مشکل را رفع کرده و با بکار گیری چند صد اتم موازی شده ، فورا اعداد بزرگ را به عوامل اول تجزیه کند.

در سال ۱۹۹۴ پیتر شور، استاد ریاضیات کاربردی دانشگاه MIT به یک الگوریتم کوانتومی دست یافت که توانایی محاسبه عوامل اول اعداد بسیار بزرگ را بطور کارآمدتری نسبت به یک کامپیوتر کلاسیک داشت. موفقیت این الگوریتم در گرو کامپیوترهایی با تعداد زیادی از بیت های کوانتومی (یا به اصطلاح کیوبیت ها) است. علی رغم تلاش های زیادی که در جهت پیاده سازی این الگوریتم در سیستم های کوانتومی انجام شده، اما هیچ کدام به طور عملی، قابل اجرا نبوده اند.

به تازگی، ساخت یک کامپیوتر کوانتومی متشکل از ۵ اتم، گزارش شده که با بکارگیری پالس های لیزری می تواند عدد ۱۵ را به عوامل اول تجزیه کند. این سیستم، طوری طراحی شده که امکان اضافه کردن تعداد بیشتری اتم و پالس لیزری را دارد تا بتواند با سرعت بیشتری اعداد بزرگ تر را تجزیه کند.

دانشمندان می گویند این اولین پیاده سازی الگوریتم شور در یک مسیر مقیاس پذیر است اما هنوز هزینه بسیار زیادی برای ساخت کامپیوتر های کوانتومی نیاز است تا شما بتوانید یکی از آنها را روی میزتان داشته باشید . به هر حال این یک معضل مهندسی است نه یک پرسش بی پاسخ فیزیکی! در محاسبات کلاسیک اعداد با ۰ و ۱ ها نشان داده می شوند. فرآیند محاسبات با دستکاری کردن این ۰ و ۱ ها و بر اساس یک الگوریتم انجام شده تا ورودی ها به خروجی ها تبدیل شوند. اما در مقابل، کامپیوتر های کوانتومی، محاسبات خود را بر اساس کیوبیت ها انجام می دهند. در واقع کیوبیت ها، علاوه بر هر یک از مقادیر جداگانه ی صفر و یک، می توانند به طور همزمان، در هر دو حالت صفر و یک باشند که نشان دهنده ی مفهوم برهم نهی کوانتومی است. در این حالت، یک کیوبیت قادر است جریانی از محاسبات را بطور مجزا و بصورت موازی انجام دهد که در نتیجه، محاسبات بسیار کارآمد تر از کامپیوتر های کلاسیک می شود.

در سال ۲۰۰۱ هم، کامپیوتری کوانتومی با یک مولکول طراحی شده بود که توانایی بر هم نهی با اعمال رزونانس مغناطیسی هسته ای را داشت و می توانست عدد ۱۵ را به عوامل اول تجزیه کند . نتایج منتشر شده در ژورنال Nature نشان می داد که این اولین کاربرد تجربی الگوریتم شور بود اما سیستم مقیاس پذیر نبود و وقتی اتم های دیگر اضافه می شدند کنترل سیستم بسیار دشوار می شد.

دانشمندان امروزه به یک سیستم کوانتومی مقیاس پذیر برای تجزیه اعداد به عوامل اولشان دست یافته اند. اگرچه برای تجزیه عدد ۱۵ بعنوان ساده ترین عددی که بصورت حاصلضرب اعداد اول نوشته می شود به حدود ۱۲ کیوبیت نیاز است اما آنها راهی پیدا کرده اند تا بتوان با ۵ کیوبیت، این محاسبات را انجام داد. هر اتم می تواند به طور همزمان در یک بر هم نهی از دو حالت انرژی، وجود داشته باشد. محققان از پالس های لیزری برای طرح ریزی ” گیت های منطقی” یا اجزای الگوریتم شور بر روی ۴ اتم از ۵ اتم استفاده می کنند و سپس نتایج روی اتم پنجم؛ ذخیره ، ارسال ، استخراج و بازیابی می شوند؛ در نتیجه برای پیاده سازی الگوریتم شور بصورت موازی؛ به تعداد کمتری کیوبیت نیاز است.

محققان توانسته اند با استفاده ازتله های یونی، سیستم های کوانتومی را بصورت پایدار نگه دارند بطوری که یک الکترون از هر اتم برمی دارند تا تله یونی بطور مداوم باردار شود سپس این کار را با یک اتم دیگر که در فاصله ای در حدود ۱۰۰ میکرون آنطرف تر است انجام می دهند. تعداد زیادی از این اتمها می توانند بر همکنش داشته باشند که این برهمکنش از بار دار بودن آنها ناشی می شود. این برهم کنش به ما اجازه می دهد تا دروازه های منطقی از الگوریتم شور برای تجزیه به عوامل اول داشته باشیم. دروازه هایی که به این طریق بوجود می آیند می توانند صرفنظر از اینکه چقدر سیستم را بزرگ کنیم روی هر اتمی به همین ترتیب، عمل کنند. پیش بینی می شود در آینده نسل هایی از کامپیوتر های کوانتومی مقیاس پذیری بوجود آیند که بتوانند تعداد بیشتری اتم را به دام انداخته و در نتیجه تعداد بیشتری از پرتوهای لیزری را کنترل کنند تا بدون داشتن اطلاعات اولیه ای از محاسبات، جواب ها را با دقت بیش از ۹۹ درصد گزارش کنند. محققان معتقدند در آینده کسی علاقه نخواهد داشت تا با طرح های رمزنگاری کنونی از اطلاعات محرمانه خود حفاظت کند چراکه با آمدن کامپیوتر های کوانتومی، مام آن اطلاعات قابل رمز گشایی خواهد بود.

لینک به مقاله ی اصلی