در آخرین و دهمین قسمت از مجموعه مقالات کلاس درس کوانتومی، به سراغ یکی از بزرگترین دستاوردهای نظریه مکانیک کوانتومی می‌رویم: کامپیوتر کوانتومی ، فناوری عجیبی که قرار است غیرممکن‌ها را برایمان ممکن کند. البته هنوز اولین کامپیوتر کوانتومی واقعی با قابلیت‌های موردنظر ساخته نشده و باید منتظر بمانیم و ببینیم چه زمانی خارق‌العاده‌ترین ماشین ساخت بشر متولد می‌شود، اما تا آن زمان، بهتر است دانش خود را درباره‌ی چیزی که قرار است پادشاه بی‌چون و چرای دنیای محاسبات و تکنولوژی باشد فزونی بخشیده و برای خوشامدگویی به آن آماده باشیم. با دیپ لوک همراه باشید…

کامپیوتر کوانتومی در یک نگاه

کامپیوتر کوانتومی، ماشین‌ فوق‌العاده قدرتمندی است که رویکرد جدیدی به پردازش اطلاعات دارد. کامپیوتر کوانتومی بر اساس اصول مکانیک کوانتومی ساخته شده‌ و از قوانین عجیب و پیچیده‌ی آن بهره می‌برد. در واقع این قوانین همیشه وجود داشته‌اند، اما مدت زمان زیادی نمی‌گذرد که دانش ما درباره‌ی آنها به حدی رسیده که بتوانیم آنها را کاربردی کنیم. وقتی نخستین کامپیوتر در دهه‌ی هفتاد میلادی متولد شد، دانش ما از دنیای کوانتومی، به پختگی امروز نبود و بنابراین نخستین کامیپوترها بر اساس قوانین کلاسیکی ساخته شدند. اما اکنون و با آگاهی بیشتری که نسبت به فیزیک کوانتومی کسب کرده‌ایم، قادریم این قوانین سرکش را برای استفاده در پیشرفته‌ترین ماشین‌ها رام کنیم. کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند انواع جدیدی از الگوریتم‌ها را برای پردازش اطلاعات اجرا کنند. آنها می‌توانند روزی منجر به پیشرفت‌های چشمگیر و انقلابی در علم مواد و کشف دارو و همچنین بهینه‌سازی سیستم‌های پیچیده‌ی ساخته‌ی بشر و هوش مصنوعی شوند. انتظار می‌رود آنها درهایی را که تصور می‌کردیم برای همیشه قفل بمانند، باز کنند. به دنیای هیجان‌انگیز کامپیوتر کوانتومی خوش آمدید!

مسابقه نفس‌گیر ساختن اولین کامپیوتر کوانتومی که توانایی‌های مورد انتظار را داشته و بتواند به دانشمندان کمک کند تا مواد جدید معجزه‌آسا، رمزگذاری داده‌ها، امنیت تقریبا کامل و پیش‌بینی دقیق آب و هوای زمین را توسعه دهند، ادامه دارد. به نظر می‌رسد چنین ماشین شگفت‌انگیزی تا چند سال آینده متولد نشود، اما غول‌های دنیای تکنولوژی مانند IBM، مایکروسافت، گوگل، اینتل، نفس‌زنان در حال طی مسیر این مسابقه‌ی بزرگ هستند و حتی کوچکترین گام‌های رو به جلو را جشن می‌گیرند. مهم‌ترین این گام‌ها، جمع‌آوری کیوبیت‌های بیشتر روی یک تراشه‌ی پردازنده است، اما در واقع این مسیر، چیزی بیشتر از نزاع با ذرات زیراتمی است.

قبل از هر چیز، ابتدا باید با واحدهای سازنده‌ی کامپیوتر کوانتومی آشنا شویم. درست مانند کامپیوترهای کلاسیکی، اینجا هم پای بیت‌ در میان است، اما بیت کوانتومی یا کیوبیت (qbit). کیوبیت، بیتی است که بر اساس قوانین دنیای کوانتومی رفتار می‌کند و همین رفتارهاست که کامپیوتر کوانتومی را منحصربفرد می‌کند. همانطور که می‌دانید دو مقدار صفر یا یک برای یک بیت کلاسیکی محتمل است، این در حالیست که در مورد یک کیوبیت، سه حالت محتمل وجود دارد: صفر یا یک یا صفر+یک. یعنی یک کیوبیت می‌تواند به طور همزمان دارای دو مقدار صفر و یک باشد. اگر قسمت‌های قبلی کلاس درس کوانتومی دیپ لوک را دنبال کرده‌ باشید، به راحتی نام این پدیده را حدس خواهید زد: برهم نهی کوانتومی. کیوبیت ها به لطف این پدیده، می‌توانند محاسبات بسیار زیادی را به طور همزمان انجام دهند که این امر، سرعت و ظرفیت محاسبات را به طور شگفت‌انگیزی افزایش می‌دهد. انواع مختلفی از کیوبیت ها وجود دارد و همه‌ی آنها مثل هم ساخته نمی‌شوند.

اینکه آیا یک بیت در یک تراشه‌ ی سیلیکونی کوانتومی قابل برنامه‌نویسی، صفر است یا یک، به مسیر الکترونش بستگی دارد. متاسفانه کیوبیت‌ها بسیار حساس و شکننده هستند و به دماهایی حدود ۲۰ میلی کلوین، یعنی حدود ۲۵۰ برابر سردتر از عمق کیهان نیاز دارند تا پایدار باقی بمانند! البته یک کامپیوتر کوانتومی، چیزی بیشتر از یک پردازنده است و به الگوریتم‌ها، نرم‌افزارها، ارتباطات داخلی و فناوری‌های تازه‌ای که به طور ویژه برای بهره گرفتن از قدرت پردازشی عظیم طراحی شده‌اند، نیاز دارد.

مقایسه‌ی کامپیوتر کوانتومی و کامپیوتر کلاسیکی

مثال رایج برای این مقایسه، یک سکه است. در پردازشگر یک کامیپوتر سنتی، یک ترانزیستور، یا بالاست یا پایین، یا شیر است یا خط. حالا فرض کنید من سکه‌ای را به بالا پرت می‌کنم و در حالیکه روی هوا در حال چرخش است، از شما می‌خواهم بگویید شیر است یا خط؟ احتمالا می‌گویید هم شیر است و هم خط. این دقیقا پدیده‌ای است که کامپیوتر کوانتومی بر اساس آن ساخته شده است. به جای یک بیت سنتی که یا یک است یا صفر، یک بیت کوانتومی داریم که به طور همزمان هم صفر و هم یک را نشان می‌دهد تا زمانی که کیوبیت‌ها از چرخش بازایستند و به یک مقدار ثابت برسند.

فضای حالت یا توانایی نمونه‌برداری تعداد زیادی از ترکیب‌های ممکن، با یک کامپیوتر کوانتومی، نمایی است. باز هم با استفاده از مثال سکه، تصور کنید من دو سکه را به طور همزمان به هوا پرتاب می‌کنم. وقتی هر دوی آنها در هوا در حال چرخش هستند، چهار حالت ممکن را نشان می‌دهند. اگر سه سکه را به هوا پرتاب کنم، حالت‌های ممکن به هشت می‌رسد. حالا فرض کنید در مورد ۵۰ سکه بخواهید تعداد حالات را محاسبه کنید، اما باید شما را ناامید کنم، چرا که پاسخ، از توان محاسباتی بزرگترین ابرکامپیوترهای امروزی خارج است. در مورد سیصد سکه، تعداد حالت‌ها بیشتر از تعداد اتم‌های کل کائنات است!

اما نتیجه‌ی این تفاوت چیست؟ چیزی که ما تشنه ی آن هستیم: سرعت! کامپیوتر کوانتومی، قادر است برخی محاسبات را حتی یک میلیون بار سریع تر از یک کامپیوتر کلاسیکی در اندازه‌ی قابل مقایسه، حل کند (مثلا یک کامپیوتر کوانتومی متشکل از تنها بیست کیوبیت می تواند ۱۰۴۸۵۷۶ حالت را به طور همزمان داشته باشد). اما کامپیوتر کوانتومی برخلاف سرعت فوق العاده‌اش، احتمالا هیچگاه کاملا جایگزین کامپیوتر کلاسیکی نخواهد شد. پس بهتر است فعلا خود را در حال بازی کردن فیفا یا گاد آف وار با یک کامپیوتر کوانتومی تصور نکنید! اما چرا؟ هرگاه یک سیستم کوانتومی، مشاهده یا اندازه‌گیری می‌شود، تابع موج تقلیل یافته یا به اصطلاح فروریزش می‌کند. بنابراین هرگاه تلاش می کنیم از یک کامپیوتر کوانتومی استفاده کنیم، برهمکنشی بین ما و کامپیوتر رخ می دهد. این برهمکنش باعث می‌شود برهم نهی در کامپیوتر کوانتومی، از بین رفته و کیوبیت‌ها به بیت‌های کلاسیکی تبدیل شوند. در نتیجه کامپیوترهای کوانتومی، فعلا فقط برای محاسبات پیچیده و خاص، قابل استفاده خواهند بود. آها باید در زمان محاسبه از محیط اطرافشان، ایزوله شوند تا تخریب برهم نهی کیوبیت‌های رخ ندهد. یک کامپیوتر کوانتومی هر محاسبه‌ای را به تعداد زیادی محاسبات ساده‌تر، تقسیم کرده و سپس آنها را به طور موازی حل می‌کند. وقتی محاسبه تمام شد، کامپیوتر مشاهده شده و با تقلیل تابع موج و تخریب برهم نهی، تنها یک نتیجه بدست می‌آید.

چرا کیوبیت‌ها تا این اندازه، حساسند؟

واقعیت این است که سکه‌ها یا کیوبیت ها، در نهایت از چرخش بازمی‌ایستند و به یک حالت خاص فروریزش می‌کنند، یا شیر یا خط. هدف محاسبات کوانتومی این است که آنها را برای مدت طولانی در حال چرخش، یا همان برهم نهی از چندین حالت نگه دارد. تصور کنید من یک سکه‌ی در حال چرخش روی میز دارم و کسی میز را می‌لرزاند. این کار باعث می‌شود سکه بسیار سریع‌تر بیفتد. نویز، تغییر دما، نوسان الکتریکی یا ارتعاش، همگی عواملی هستند که نقش همان لرزش میز را بازی کرده و می‌توانند عملکرد یک کیوبیت را مختل کرده و باعث شوند که اطلاعاتش را از دست بدهد. یک راه برای پایدار کردن انواع خاصی از کیوبیت‌ ها، این است که آنها را بسیار سرد نگه داریم.

انواع مختلف کیوبیت

تقریبا کمتر از شش یا هفت نوع کیوبیت متفاوت وجود دارد و حدود سه یا چهار مورد آنها، به طور فعالی در محاسبات کوانتومی استفاده می‌شوند. تفاوت انواع مختلف کیوبیت در چگونگی دستکاری آنها و ارتباطشان با دیگری است. برای انجام محاسبات درهم تنیده، حداقل دو کیوبیت لازم است و این در حالی است که کیوبیت‌های مختلف، راه های متفاوتی برای درهم تنیدگی دارند. در تصویر زیر می‌توانید انواع کیوبیت‌های عملیاتی و ویژگی‌های آنها را مشاهده کنید:

کامپیوتر کوانتومی، کی موفق به حل مسائل واقعی خواهد شد؟

نخستین ترانزیستور در سال ۱۹۴۷ معرفی و نخستین مدار مجتمع در سال ۱۹۵۸ تولید شد. نخستین میکروپردازشگر اینتل که فقط ۲۵۰۰ ترانزیستور داشت، تا سال ۱۹۷۱ تولید نشد. هر یک از این پیشرفت‌ها، بیش از یک دهه طول کشید. مردم با توجه به پیشرفت‌های حاصل شده، گمان می‌کنند کامپیوتر کوانتومی به زودی ساخته می‌شود، اما تاریخ نشان می‌دهد این پیشرفت‌ها، زمانبرند. اگر طی چند سال آینده، یک کامپیوتر کوانتومی دارای چندهزار کیوبیت داشته باشیم، قطعا همان تحولی که میکروپردازنده‌ها در دنیا ایجاد کردند را ایجاد خواهد کرد. از طرفی ما می‌خواهیم کیفیت کیوبیت‌ها را بهبود ببخشیم که این امر به آزمودن بهتر الگوریتم‌ها و ساختن سیستم کمک خواهد کرد. برای درک بهتر کاربردهای کامیپوتر کوانتومی دعوت می‌کنیم ویدئوی زیر را که توسط شرکت IBM تهیه شده تماشا کنید:

شکی نیست که کامپیوتر کوانتومی یکی از بزرگترین دستاوردهای بشر در قرن بیست و یکم خواهد بود، بنابراین طبیعی است که در مقاله‌ی کوتاهی نمی‌توانستیم تمام جنبه‌های این ماشین پیچیده را بررسی کنیم پس فقط سعی کردیم روزنه‌ی کوچکی به دنیای باشکوهش باز کنیم. اگرچه در حال حاضر، ساختن این ماشین پیچیده، مستلزم رعایت شرایط بسیار حساسی است، اما کسی چه می‌داند، شاید به زودی توانستیم کیوبیت‌های پایداری در دمای اتاق بسازیم تا به تکنولوژی‌های پیشرفته‌تری برای ایزوله و سرد کردن آنها دست یافتیم، در آنصورت شاید روز خارق‌العاده‌ای فرا رسد که هر یک از ما بتوانیم یکی از آنها را در جیبمان داشته باشیم. شاید این ادعا در حال حاضر، رویای خامی به نظر رسد، اما یادمان نرود، کامپیوترهای کلاسیکی هم روزی به اندازه‌ی یک اتاق بودند (انیاک اولین کامپیوتر الکترونیکی، حدود ۵۰۰ متر مربع جا اشغال می‌کرد و ۳۰ تن وزن داشت!). تاریخ علم ثابت کرده، رویاهای خام، روزی به واقعیت‌هایی حیاتی تبدیل می‌شوند…