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