کامپیوترهای کوانتومی چطور کار می کنند؟
امروزه پیشرفت های گسترده ای در دنیای تکنولوژی و ساخت پردازنده های محاسباتی با سرعت بالا در جهت ارتقاء سوپر کامپیوترها صورت گرفته، اما این نوع از کامپیوترها هنوز قادر به حل برخی از مسائل پیچیده نیستند.
سخت افزار کامپیوتر بر اساس قطعه الکترونیکی ترانزیستور کار می کند. اساس کار کامپیوترهای رایج به این صورت است که اعداد صفر و یک را در حافظه خود ذخیره کرده و روی آنها پردازش و عمل ذخیره سازی توسط سوئیچ هایی به نام ترانزیستور صورت می گیرد.
ترانزیستور مهمترین قطعه مداری در الکترونیک است که برای تقویت و قطع و وصل سیگنال ها به کار می رود و می تواند ولتاژ و جریان را کنترل و تنظیم کند، یعنی در مقابل سیگنال ها مانند سوئیچ یا دروازه عمل می کند.
روشن یا خاموش بودن ترانزیستور، دو حالت صفر و یک را ایجاد می کند. همانطور که هر بیت کامپیوتر می تواند دو حالت روشن یا خاموش (صفر و یک) را ایجاد کند. رشته های طولانی از این صفر و یک ها طبق قواعد کد اسکی برای ذخیره حروف، اعداد و نمادها به کار می رود.
کامپیوترها توسط گیت های منطقی که از ترانزیستورها ساخته شده اند، عمل پردازش و محاسبات را روی بیت ها انجام می دهند. گیت منطقی حالت یک بیت را می سنجد و آن را در حافظه موقت ذخیره می کند، سپس طی یک الگوریتم، محاسباتی را انجام داده و آنرا به حالت جدیدی تغییر می دهد. در واقع یک الگوریتم متشکل از چند گیت منطقی است که در کنار یکدیگر یک مدار الکترونیکی تشکیل می دهند و محاسبه مورد نظر توسط این مدار صورت می گیرد.
کوچک شدن ابعاد ترانزیستورها، یکی از مشکلات موجود در روند توسعه است. در پی افزایش تعداد ترانزیستورها که منجر به افزایش حافظه و سرعت کامپیوترها شده است، هنوز تعداد مسائل پیچیدهای باقی مانده است که سوپر کامپیوترها نیز قادر به حل آنها نیستند. لذا لازم است که محاسبات را وارد دنیای کوانتومی کنیم.
ترانزیستورهای قدیمی از قوانین فیزیک کلاسیک تبعیت می کنند. با کوچک کردن ترانزیستورها در حد ابعاد اتمی دیگر این قوانین برقرار نبوده و باید قوانین پیچیده تر فیزیک کوانتوم را به کار برد.
شرکت های بزرگ در حال تلاش برای ساخت ترانزیستورهایی در ابعاد اتمی هستند که قوانین فیزیک کوانتوم نظیر تونل زنی کوانتومی[1] در آن دخیل است. این تونل زنی برای تراشه محاسباتی امر مطلوبی نیست، زیرا حرکت الکترون ها در آن ایجاد اختلال می کند. لذا در ابعاد بسیار کوچک، فیزیک کوانتوم و قوانین آن تجلی یافته و ملزم به تبعیت از این قوانین هستیم.
کامپیوترهای کوانتومی نوع خاصی از کامپیوتر می باشند که از الگوریتم های خاصی برای انجام محاسبات پیچیده استفاده می کنند، در واقع بر اساس قوانین فیزیک کوانتوم، یک پدیده فیزیکی را در یک حالت خاص در نظر گرفته و پس از پردازش اطلاعات، حالت جدیدی از آن را تعیین می کند.
ایده کامپیوترهای کوانتومی از سال 1982 مطرح شد. نخستین بار ریچارد فاینمن، فیزیکدان معروف، استفاده از اصول مکانیک کوانتوم در یک ماشین پایه برای انجام محاسبات را مطرح کرد که بعدها توسط دیگر دانشمندان توسعه پیدا کرد.
ویژگی های اصلی مربوط به کامپیوترهای معمولی مانند بیت، الگوریتم و گیت منطقی در کامپیوترهای کوانتومی نیز وجود دارد.
فیزیک دانان موفق شدند با استفاده از پدیده های کوانتومی، واحد اطلاعات کوانتومی به نام کیوبیت یا بیت کوانتومی را بسازند که واحد پردازش اطلاعات در کامپیوترهای کوانتومی است. بر خلاف بیت که فقط دارای دو مقدار صفر و یک است، کیوبیت می تواند علاوه بر این دو مقدار هر مقداری بین صفر ویک نیز داشته باشد. یعنی برهم نهی از حالت های پایه صفر و یک است (superposition) و برای تعیین حالت کیوبیت باید آن را اندازه گیری کرد.
مفهوم این برهم نهی این است که یک کامپیوتر کوانتومی می تواند در هر لحظه اطلاعات یا همان کیوبیت،ها را به طور همزمان پردازش کند و این موضوع باعث می شود، سرعت انجام محاسبات نسبت به یک کامپیوتر معمولی بسیار زیاد شود.
[1] در حالت کوانتومی بر خلاف کلاسیک، ذره قادر است که از سد پتانسیل عبور کند و در طرف دیگر سد حضور داشته باشد و بیانگر خاصیت دوگانه موج – ذره می باشد.
با توجه به توسعه صورت گرفته در حوزه محاسبات و علوم کامپیوتر، توجه ویژه ای به کامپیوترهای کوانتومی معطوف شده است.
از آنجا که اطلاعات به صورت بیت ذخیره می شود، تغییر اطلاعات در قسمت پردازش کامپیوتر، باعث صرف انرژی و گرم شدن سیستم می شود.
برای جلوگیری از اتلاف بالای انرژی، پیشنهاد شد که عملیات پردازش و محاسبات به صورت برگشت پذیر صورت گیرد. یعنی با داشتن خروجی اطلاعات، بتوان ورودی را دریافت کرد که لازمه آن این است که گیت های منطقی به طور برگشت پذیر کار کنند.
به طور خلاصه کامپیوترهای کوانتومی با انجام محاسبات به طور برگشت پذیر، محاسبات سنگین را در زمان کوتاه تر و با صرف انرژی کمتر انجام می دهند.
در کوانتوم مکانیک عملگری به نام تحول زمانی وجود دارد که به آن برگشت حرکت نیز گفته می شود. این عملگر یکانی بوده و در مدت معین یک نگاشت یک به یک انجام می دهد، به عبارتی یک حالت کوانتومی را به حالت کوانتومی دیگری تبدیل می کند.
در کامپیوترهای کوانتومی این نگاشت توسط گیت های کوانتومی صورت می گیرد و عملی برگشت پذیر است.
در کامپیوترهای کوانتومی برای تعریف کیوبیت به یک سیستم فیزیکی دو حالته در ابعاد کوانتومی ریز مقیاس، نظیر اسپین بالا یا پایین یک الکترون یا تغییر حالت یک اتم یا یون نیاز است که یک رویداد فیزیکی آن را به حالت کوانتومی دیگری انتقال می دهد. سیستم های کوانتومی که در ابعاد بسیار کوچک هستند نویزپذیر بوده و خطاپذیری بالایی دارند. یعنی دچار اختلال می شوند و حالتشان به طور مداوم تغییر می کند.
قرار داشتن کیوبیت (اتم، یون، اسپین الکترون و …) در یک حالت مشخص معادل ذخیره کردن اطلاعات بوده و تغییر دادن حالت آن به منزله عمل پردازش بر روی کیوبیت می باشد.
قرار گرفتن کیوبیت در حالت کوانتومی وضعیت پیچیده و دشواری را برای رسیدن به حالت ابر رسانایی ( نزدیک به دمای صفر مطلق) ایجاد می کند. لذا برای کنترل حالت سیستم و معین کردن آن به نحوی که بتوان کیوبیت را تعریف کرده و روی آن پردازش انجام داد باید سیستم را ایزوله کرده و عوامل اختلال را حذف کرد.
این امر مستلزم صرف هزینه های بالا برای تکنیک های خاصی نظیر ایجاد خلاء و یا سرد کردن سیستم (نظیر ابررساناها) می باشد.
همچنین برای جلوگیری از ایجاد نویز باید پردازنده کوانتومی را از تشعشعات الکترومغناطیسی محفوظ داشت، بدین منظور آن را در یک محفظه ویژه نگهداری می کنند.
با توجه به مشکلات مطرح شده و شرایط خاص حاکم بر کامپیوترهای کوانتومی، دور از انتظار است که این کامپیوترها جایگزین کامپیوترهای معمولی شود، زیرا علاوه بر شرایط پیچیده حاکم بر آن به الگوریتم های خاصی برای اجرا نیاز است.
با توجه به زمان زیادی که برای جستجو در پایگاه های داده خیلی بزرگ صرف می شود، نیاز به کامپیوترهای کوانتومی همچنان احساس می شود. رشد و توسعه رمزنگاری و مخابرات کوانتومی مرهون توسعه این نوع از کامپیوترهاست و نقش حساس و تعیین کننده فیزیک در آینده این حوزه از علم محاسبات پرواضح است.
[1] در حالت کوانتومی بر خلاف کلاسیک، ذره قادر است که از سد پتانسیل عبور کند و در طرف دیگر سد حضور داشته باشد و بیانگر خاصیت دوگانه موج – ذره می باشد.
