رایانش کوانتومی چیست؟

کامپیوتری را در نظر بگیرید که بتواند با شبیه سازی رفتار مولکولهای جداگانه، داروهای نیرومند نوینی طراحی کند و محاسباتی را در مدت چند ثانیه انجام دهد که حتی ابرکامپیوترهای موجود برای انجام آنها به هزاران سال زمان نیاز داشته باشند.

اینها، همه مثالهایی از یک فناوری نوظهور هستند: کامپیوترهای کوانتومی که می توانند دنیای ما را زیر و زبر سازند.

این نوع کامپیوترها فیزیک کوانتومی را بکار می گیرند – قوانین غریب و اغلب مخالف تجربه عینی انسانها که بر دنیا در ریزترین مقیاس ها و پایین ترین دماها حکومت می کنند. کامپیوترهای کوانتومی امروزین ابتدایی و خطاپذیر هستند. اما اگر نسخه های پیشرفته تر و نیرومندتری ساخته شوند خواهند توانست بسیاری مسایل دنیای کنونی را حل کنند. کامپیوترهای کوانتومی جایگزین انواع کلاسیک نخواهند شد، بلکه به همزیستی با یکدیگر برای حل برخی مسایل بغرنج علمی و نیز تقویت صنعت و امنیت سایبری ادامه خواهند داد.

کوانتوم چیست؟

فیزیک کوانتومی توصیف کننده جهان در کوچکترین و بنیادی ترین مقیاس هاست. اشیا در مقیاس زیراتمی بسیار متفاوت تر از دنیای آشنای ما رفتار می کنند. یکی از مهمترین این تفاوت ها برهم نهی (superposition) است. اجازه دهید با شیئی در مقیاس های معمول مانند انسانی بر روی یک نردبان شروع کنیم. بسته به اینکه این فرد بر روی کدام پله ایستاده است، دارای انرژی پتانسیل معینی است. فردی که بر روی زمین قرار گرفته دارای کمترین انرژی پتانسیل در این سیستم است. هرچه از نردبان بالاتر برود انرژی پتانسیل بیشتری خواهد داشت.

در طرف مقابل، اشیای ریز مانند اتمها می توانند به گونه ای رفتار کنند که گویی دو یا چند سطح انرژی مجزا در یک زمان دارند. مانند اینکه یک فرد بتواند همزمان بر پایین ترین و بالاترین پله نردبان بایستد.

به محض اینکه یک اتم در چنین حالت انرژی آمیخته ای قرار داده شود که به برهم نهی کوانتومی موسوم است، در آن وضعیت باقی خواهد ماند تا اینکه توسط دنیای خارج تحت اندازه گیری قرار گرفته یا برانگیخته شود. در این صورت اتم به یک وضعیت انرژی مجزا فرو خواهد ریخت مانند اینکه فقط بر روی یک پله نردبان مثال ما بایستد.

 

تصویر یک – ذره ای که در برهم نهی کوانتومی حالت انرژی صفر و یک قرار گرفته است. وقتی ذره تحت اندازه گیری قرار می گیرد (که با ظهور خط کش نشان داده شده است) بطور آنی و تصادفی به وضعیت انرژی صفر یا یک "فرو می ریزد".

برای اینکه این ایده به عباراتی روشن تر بیان شود، اروین شرودینگر فیزیکدان معروف یک آزمایش ذهنی بیادماندنی، و گرچه قدری غریب، ارائه داد.: یک جعبه کاملا مهر و موم شده را تصور کنید که شامل یک گربه و تله سمی است که توسط تلاشی یک اتم رادیواکتیو می تواند بکار افتد. از آنجایی که تلاشی اتم در هر زمانی دارای عدم قطعیت است گربه در موقعیت برهم نهی زنده یا مرده است. تنها زمانی که فردی درب جعبه را باز کند موقعیت گربه به موقعیت قطعی زنده یا مرده تنزل می کند. گربه های واقعی نمی توانند همزمان زنده و مرده باشند اما گربه تخیلی شرودینگر کمک می کند مفهوم عجیب برهم نهی کوانتومی را دریابیم.

برپایه مفهوم برهم نهی، اتمهای متعدد می توانند با یکدیگر در هم تنیده شوند تا حالت کوانتومی یگانه ای را داشته باشند (entanglement). حالا چندین گربه را در جعبه شرودینگر فرض کنید که قربانیان احتمالی همان تله سمی هستند. این گربه ها همگی در یک برهم نهی در هم تنیده شده اند و می توانند همگی زنده یا مرده باشند. وقتی فردی جعبه را باز می کند وضعیت تمامی گربه ها به مرده یا زنده فرو می پاشد. به گفته اندرو ویلسون فیزیکدان NIST در هم تنیدگی یعنی حداقل دو شیء به هم وابسته اند و وجود مستقل از یکدیگر ندارند.

 

تصویر دو – یک جفت ذره در یک برهم نهی کوانتومی حالت انرژی صفر یا یک قرار دارند. از آنجایی که ذرات در هم تنیده شده اند، وقتی یکی تحت اندازه گیری قرار می گیرد (که با ظهور خظ کش نشان داده شده است) هر دو بطور تصادفی به وضعیت صفر و دیگری یک فرو می پاشند. فروپاشی برای هر دو ذره بطور آنی صورت می پذیرد، هرقدر از هم دور باشند.

این سناریوها وقتی در مورد گربه مثال زده شوند بسیار غریب بنظر می رسند و لی در ابعاد اتمی همان چیزی است که واقعا وجود دارد. ذرات بسیار خرد مانند اتمها می توانند همزمان در حالت های متعدد وجود داشته باشند. و این حالت ها می توانند با حالت های سایر اشیا هرقدر هم از یکدیگر دور باشند در هم تنیده باشند. برای مثال اگر یکی از دو ذره در هم تنیده کوانتومی بر روی ماه و دیگری بر روی زمین قرار داشته باشد، هر تغییری در وضعیت یکی باعث تغییر آنی در وضعیت دیگری خواهد شد.

کیوبیت ها

کامپیوترهای کوانتومی همانند کامپیوترهای معمولی، دارای ورودی، خروجی، پردازش اطلاعات و حافظ هستند. اما بجای بیت های معمولی که مقدار صفر یا یک را می توانند اختیار کنند دارای بیت های کوانتومی یا کیوبیت (qubit) هستند. همانند گربه های شرودینگر کیوبیت ها می توانند در برهم نهی حالت های متعددی قرار داده شوند. به عبارت دیگر، یک کیوبیت می تواند در حالت صفر، حالت یک یا آمیزه ای از هر دو باشد. و حالت های کوانتومی کیوبیت های منفرد می تواند با یکدیگر در هم تنیده شود.

این قابلیت ها به کامپیوترهای کوانتومی قدرت های خارق العاده می بخشند. در حالی که دو بیت معمولی تنها دو تکه اطلاعات 0 یا 1 یا برعکس می توانند داشته باشند، دو کیوبیت می توانند حاوی بر هم نهی چهار ترکیب 0 ها و 1 ها بطور همزمان باشند. سه کیوبیت می توانند حاوی هشت ترکیب باشند، چهار کیوبیت 16 ترکیب و ... داشته باشند. هر کیوبیت اضافی تعداد ترکیب ها را دو برابر می‌کند: یک افزایش نمایی.

کسی که از یک کامپیوتر کوانتومی استفاده می کند ابتدا باید توان محاسباتی نمایی آنها را به خدمت بگیرد. بر حسب نوع کامپیوتر کوانتومی، سیگنالهای الکترومغناطیسی یا لیزر برای ایجاد در هم تنیدگی میان کیوبیت ها و اجرای عملیات محاسباتی استفاده می‌شود.

کامپیوترهای کوانتومی گرچه قادر به محاسبات نمایی هستند، اما توان آنها در استخراج داده از این محاسبات محدود است. از این گذشته کوچکترین اغتشاشات بیرونی مانند میدان مغناطیسی یا الکتریکی مزاحم یا یک پرتو کیهانی می تواند در هم تنیدگی کوانتومی را بر هم زده و کیوبیت ها را وادار به پذیرش مقدار قطعی 0 یا 1 کند که در این صورت فرقی با بیت های معمولی نخواهند داشت. بنابراین اولین قدم در ساخت کامپیوترهای کوانتومی حفاظت آنها در برابر اغتشاشات بیرونی است.

علاوه براین، یک کیوبیت منفرد به تنهایی دارای ارزش کمی است. برای اینکه یک کامپیوتر کوانتومی مفید واقع شود باید تعداد زیادی کیوبیت در هم تنیده شوند در عین اینکه برهم نهی خود را حفظ می کنند. بهترین کامپیوترهای کوانتومی حال حاضر شامل صدها کیوبیت مرتبط با هم هستند و تقریبا در هر هزار محاسبه یک خطا مرتکب می شوند. یک خطا وضعیت یک کیوبیت را تغییر داده و اطلاعات حمل شده توسط آن را تخریب می کند. در مقام مقایسه یک کامپیوتر کلاسیک در هر کوینتیلیون (عدد یک و بدنبال آن 18 صفر!) محاسبه دچار یک خطا می شود و اصلاح خطا در کامپیوترهای کلاسیک بسیار ساده تر است.

گرچه هم اکنون به کامپیوترهای کوانتومی قابل اعتماد و کارآمد دسترسی نداریم، پیشرفت های آینده تحولات بزرگی در این زمینه ایجاد خواهند کرد و انقلاب نوینی در عصر اطلاعات به وقوع خواهد پیوست.

منبع:

https://www.nist.gov/quantum-information-science/quantum-computing-explained

تاریخچه مختصر کامپیوتر

تاریخچه مختصر کامپیوتر

گردآوری و ترجمه: اصغر ناصری ([e-mail])

1380 خورشیدی

ماشین های محاسبه و نوآوران نخستین

چرتکه،‌که حدود 5000 سال پیش در آسیای میانه ابداع شد و هنوز مورد استفاده است، می تواند نخستین کامپیوتر بشمار آورده شود. بازرگانان از این ابزار برای نگهداشتن حساب معاملات استفاده می کردند. حدود 12 قرن طول کشید تا پیشرفت مهم دیگری در ابزارهای محاسباتی رخ دهد. در سال 1642 بلیز پاسکال ماشینی ابداع کرد که می توانست اعدادی تا هشت رقم را با یکدیگر جمع کند. ابزار او که پاسکالین نامیده می شد کاملاً مکانیکی بود و از چرخدنده های درگیر استفاده می کرد. در سال 1694 یک ریاضیدان آلمانی بنام لایب نیتز قابلیت ضرب کردن را به این ماشین افزود. اما تا سال 1820 ماشین حسابهای مکانیکی مورد استفاده گسترده واقع نشدند. در این سال یک مهندس فرانسوی بنام توماس دوکولمار ماشینی ساخت که می توانست چهار عمل اصلی را انجام دهد. این ماشین که آریثومتر نامیده می‌شد تا جنگ جهانی اول مورد استفاده بود.

شروع واقعی عصر کامپیوترها را می توان در گرو کار ریاضیدان انگلیسی چارلز بابیج دانست. او در سال 1832 طرحی برای اولین کامپیوتر همه منظوره بنام ماشین تحلیلی پی ریخت. این ماشین که از پنجاه هزار قطعه ساخته شده بود از کارت های سوراخدار برای ورود اطلاعات استفاده می کرد. گرچه این طرح کاملاً عملی بود، ولی بواسطه پیچیدگی و هزینه زیاد هرگز ساخته نشد. دستیار بابیج، آگوستا ایدا کینگ دختر شاعر معروف انگلیسی لرد بایرون بود که برای ماشین تحلیلی بابیج برنامه کامپیوتری جهت انجام محاسبات نوشت. بنابراین ایدا کینگ را می توان اولین برنامه نویس کامپیوتر در تاریخ جهان نامید. در دهه 1980 وزارت دفاع آمریکا به افتخار او یک زبان مدرن برنامه نویسی را بنام ایدا (ADA) نامگذاری کرد.

در سال 1889 یک مخترع آمریکایی بنام هرمان هولریت دستگاهی برای محاسبات سرشماری عمومی آمریکا ابداع کرد. محاسبات سرشماری قبلی در سال 1880 بصورت دستی انجام شده و حدود ده سال بطول انجامیده بود. هولریت از کارتهای سوراخدار برای ذخیره نتایج سرشماری استفاده می کرد. با استفاده از ماشین ابداعی هولریت، آمارگیران توانستند نتایج سرشماری را در طی شش هفته محاسبه کنند. علاوه بر سرعت، این شیوه ذخیره نتایج باعث کاهش قابل ملاحظه اشتباهات شده بود. او در سال 1896 اولین شرکت کامپیوتری را ابداع کرد که در سال 1924 بنام شرکت ماشینهای اداری بین المللی یا IBM تغییر داد.

پنج نسل کامپیوترهای نوین

نسل اول (1945-1956)

با شروع جنگ جهانی دوم دولتها شروع به سرمایه گذاری بیشتر در توسعه کامپیوترها نمودند. در سال 1941 یک مهندس آلمانی بنام کنراد زئوس کامپیوتری بنام Z3 ساخت که در طراحی هواپیماها و موشکها بکار می رفت. در 1943 در بریتانیا کامپیوتری بنام کلوزوس ساخته شد که می توانست پیامهای رادیویی المانی ها را رمز گشایی کند. در سال 1944 یک مهندس آمریکایی بنام هوارد آیکن که برای IBM کار می کرد کامپیوتری بنام Mark I برای نیروی دریایی آمریکا ساخت. از این کامپیوتر برای محاسبه مسیر پرتاب گلوله و موشک استفاده می شد. این کامپیوتر دارای طولی به اندازه یک زمین فوتبال و حدود 800 کیلومتر سیم بود. برای به راه انداختن قطعات مکانیکی آن از سیگنالهای الکترومغناطیسی (امواج رادیویی) استفاده می شد. محاسبه هر عمل اصلی در این کامپیوتر حدود 3 تا 5 ثانیه بطول می انجامید ولی قادر بود عملیات محاسباتی پیچیده ای را انجام دهد.

اما اولین کامپیوتر همه منظوره ای که از آن می شد برای انجام عملیات مختلفی استفاده کرد، انیاک (ENIAC) نام داشت. این کامپیوتر در اواخر جنگ جهانی دوم ساخته شد و ماشین عظیمی بشمار می رفت. از 180.000 لامپ خلا و 70.000 مقاومت و 5 میلیون جوش لحیم ساخته شده بود و در هر ساعت 160 کیلووات انرژی مصرف می کرد. با این وجود هزار بار سریعتر از Mark I بود.

در سال 1945 دانشمند جوانی بنام جان فون نیومن کامپیوتری بنام ادواک (EDVAC) ابداع کرد که نقطه تحول مهمی بشمار می رفت. این کامپیوتر دارای حافظه ای برای ذخیره دستورالعمل ها و داده ها بود و از یک “واحد پردازش مرکزی” بهره می برد. در سال 1951 یونیواک ساخته شد که اولین کامپیوتر همه منظوره تجاری بشمار می رفت.

مشخصات اصلی کامپیوترهای نسل اول را می توان بشرح زیر خلاصه کرد:

• هربار باید برای منظوری خاص برنامه ریزی می شدند.
• دارای زبان مخصوص به خود (بنام زبان ماشین) بودند.
• از لامپ های خلا برای انتقال داده ها و از استوانه های مغناطیسی برای ذخیره اطلاعات استفاده می کردند.

نسل دوم (1956-1963)

در سال 1948 ابداع ترانزیستورها باعث تغییر مسیر توسعه کامپیوترها شد. ترانزیستور جایگزین لامپ خلا بزرگ و پرمصرف شد و در نتیجه اندازه ماشین های الکترونیکی کاهش قابل ملاحظه ای یافت. با بکارگیری ترانزیستور، نسل دوم کامپیوترها متولد شدند که بسیار سریعتر،‌کوچکتر و ارزانتر بودند. در سال 1965 کامپیوتر IBM 1401 در شرکتهای بزرگ برای انجام محاسبات مالی بکار می رفت. این کامپیوتر دارای همه قسمتهای کامپیوترهای مدرن امروزی مانند چاپگر ، دستگاه های ذخیره بر روی نوار کاست و دیسک مغناطیسی،‌ حافظه، سیستم عامل و برنامه های ذخیره شده بود. زبانهای برنامه نویسی سطح بالا که بجای کدهای کامپیوتری از کلمات گفتاری استفاده می کردند،‌ در این نسل ظهور کردند. دو مثال مهم از اینگونه زبانها عبارتند از FORTRAN برای کاربردهای علمی وCOBOL برای کاربردهای تجاری. صنعت نرم افزار در این زمان متولد شد.

مشخصات اصلی کامپیوترهای نسل دوم عبارتند از:

• استفاده از ترانزیستورها
• استفاده از زبانهای برنامه نویسی سطح بالا
• دارا بودن لوازم جانبی برای ذخیره و چاپ اطلاعات

نسل سوم (1964-1971)

در سال 1958 مدارهای مجتمع (IC) ابداع شدند. یک مدار مجتمع قطعه ای الکترونیکی است که تعداد زیادی اجزاء الکترونیکی را بر روی قطعه سیلیکونی کوچکی گرد می آورد. ابداع نیمه هادی ها که متشکل از هزاران ترانزیستور در یک حجم کوچک بودند، به سرعت کامپیوترها افزوده و اندازه آنها را بطور قابل ملاحظه ای کاهش داد. مشخصات اصلی کامپیوترهای نسل سوم عبارت بودند از:

• استفاده از نیمه هادی ها
• استفاده از نرم افزارهای کاربردی بنام سیستم عامل که امکان می داد تعداد زیادی برنامه بطور همزمان بر روی یک کامپیوتر مرکزی اجرا شوند.

کامپیوترهای نسل چهارم (1971 تا کنون)

در این نسل دانشمندان توانستند چند صدهزار جزء الکترونیکی را بر روی قطعه کوچکی بنام تراشه (Chip) سوار کنند. در سال 1971 شرکت اینتل اولین تراشه خود بنام Intel 4004 را عرضه کرد که تمام قسمتهای پردازنده مرکزی، حافظه، کنترل ورودی و خروجی را بر روی خود داشت. با کاهش قیمت بیشتر، کامپیوترها وارد خانه ها نیز گشتند. اولین کامپیوترهای خانگی عبارت بودند از کمودور و اپل. در سال 1981 IBM اولین کامپیوتر شخصی بنام IBM PC را وارد بازار کرد. تعداد کامپیوترهای شخصی تا سال 1982 به 5.5 میلیون عدد رسید. شرکت اپل نیز در سال 1984 اولین سیستم عامل گرافیکی را عرضه کرد که در آن بجای تایپ دستورات، از جابجا کردن اشکال گرافیکی استفاده می شد. ورود شرکت مایکروسافت و سیستم عامل ویندوز مهمترین تحول زمینه صنعت نرم افزار بشمار می رفت. در حال حاضر صدها میلیون کامپیوتر شخصی در تمام نقاط دنیا در انجام کارهای مختلف صنعتی، اداری، علمی و آموزشی بکار می روند.

مشخصات اصلی کامپیوترهای این نسل عبارتند از:

• تراشه های متمرکز (CPU)
• سیستم عامل گرافیکی

کامپیوترهای نسل پنجم (اکنون و آینده)

تعریف این نسل از کامپیوتر اندکی دشوار است،‌ زیرا توسعه آنها هنوز در مراحل ابتدایی خود بسر می برد. کامپیوترهای این نسل با استفاده از هوش مصنوعی قادر به تفکر و تصمیم گیری خواهند بود. همچنین به جای زبانهای برنامه نویسی از گفتار انسانی برای ارتباط با آنها استفاده می شود.

 دانلود متن PDF همراه با تصاویر

---

فروش مقاله و تحقیق آماده با بالاترین کیفیت علمی- تحویل سریع، قیمت فوق العاده مناسب

روی لینکهای زیر کلیک کنید:

1. مفاهیم و کاربردهای رایانش ابری

2. فرایند پرسکاری ECAP

3. فرایند شکل دهی افزایشی گرم

---