کامپیوتر کوانتومی چیست و چه ویژگی هایی دارد؟

کامپیوتر کوانتومی محصول علم جدیدی به نام فیزیک کوانتوم یا مکانیک کوانتوم می باشد. دانشمندن حین بررسی رفتار حرکات بسیار ریز متوجه رفتار غیرنرمال آنها شدند که از فیزیک کلاسیک پیروی نمی کرد. رایانه های کوانتومی در مقایسه با نوع کلاسیک خود از سرعت بسیار بالاتری در انجام محاسبات برخوردار است.

کامپیوتر کوانتومی چیست؟

کامپیوتر کوانتومی در واقع ماشینی ست که برای انجام محاسبات پیچیده و سنگین از  پدیده ها و قوانین فیزیک کوانتوم مانند برهم نهی و درهم تنیدگی استفاده می کند. این کامپیوترها با بهره گیری از خواص و قوانین فیزیک کوانتومی داده ها را ذخیره و روی آنها عملیات انجام می دهد.

ماشین تورینگ کوانتومی یک مدل تئوریک و انتزاعی ست که کامپیوتر کوانتومی جهانی نیز نامیده می شود. باید به خاطر داشته باشیم توابعی که توسط رایانه های کلاسیک محاسبه پذیر نیستند توسط کامپیوترهای کوانتومی نیز محاسبه پذیر نخواهند بود. کامپیوترهای کوانتومی در صورتیکه در مقیاس بزرگ ساخته شوند قادرند مسائل خاص مانند الگوریتم شور را با سرعت خیلی بیشتر حل کنند. کامپیوترهای کوانتومی درمقایسه با کامپیوترهای کلاسیک تنها سرعت بسیار بیشتر در حل مسائل دارند.

کامپیوترهای کوانتومی و کامپیوترهای کلاسیک

تفاوت اساسی کامپیوتر کوانتومی با کامپیوترهای کلاسیک در این است که رایانه های کلاسیک با ترانزیستور کار می کنند اما رایانه های کوانتومی از قوانین فیزیک کوانتومی کار گرفته اند. هزاران هزار ترانزیستور به کار رفته در کامپیوترهای کلاسیک می تواند یا مقدار «۱» منطقی یا «۰» منطقی را داشته باشد( همان ۰ و ۱ های معروف).

با استفاده از ترانزیستورها گیت های منطقی ساخته شد که محاسبات را انجام می داد. شما هم حتما با برخی از گیت های منطقی معروف مثل NOR ،NADA ، NOT ، OR آشنا هستید. با استفاده از این گیت ها می توانستیم محاسبات ساده مثل جمع دو عدد صحیح یا محاسبات پیچیده تری مثل پرتاب سفینه های فضایی به خارج جو زمین را انجام دهیم. برای آشنایی بیشتر می توانید کد آپولو ۱۱ را ببینید.

کامپیوترهای کوانتومی و رفع مشکل سرعت

همان طور که دیدید کامپیوتر کوانتومی با استفاده از قوانین فیزیک کوانتومی در پاسخ به رفع یک مشکل بزرگ در محاسبات ساخته شدند. مشکل از این قرار بود که دانشمندان هنگام انجام برخی کارها با مشکل کبود قدرت پردازش روبرو شدند. کارهایی مثل «Optimization» یا «Encryption» یا فیت کردن شبکه های عصبی بزرگ برای انجام ممکن  است به چندصد سال زمان نیاز داشته باشد در حالیکه کامپیوترهای کوانتوم در عرض چند دقیقه می توانند این عملیات های زمانگیر را انجام دهند.

رایانه های کوانتومی در مقایسه با نوع کلاسیک خود می تواند یک محاسبه را یک میلیارد بار سریع تر انجام دهد. ساخت این رایانه ها تعجبی ندارد. چه کسی فکر می کرد گوشی های موبایلی که امروزه همه ما در جیب خود داریم بتواند قدرت پردازشی بیش از ابر رایانه های نیم قرن پیش که فضایی به اندازه نصف اتاق را اشغال می کرد داشته باشد. وابستگی بشر امروز به رایانه ها به مراتب بیشتر از گذشته شده است. رئیس شرکت ای بی ام در دوران جنگ جهانی دوم تصور می کرد برای حل تمام مشکلات دنیا پنج دستگاه کامپیوتر همه جانبه مانند انیاک کافی ست در حالیکه امروزه ساخت رایانه های پیشرفته با چنان سرعتی به پیش می رود که پیش بینی می شود تا سال ۲۰۴۰ میلادی انرژی مصرفی تمام رایانه ها و ابزارهای همراه آنها از توان تکنولوژی امروزی برای تولید  انرژی فراتر رفته جهان در خاموشی گسترده فرو رود.

نخستین کامپیوتر کوانتومی تجاری

همان طور که گفته شد کامپیوتر کوانتومی به مراتب سریع تر و با صرفه تر از کامپیوتر کلاسیک مسائل را حل می کنند. از این رو دانشمندان سعی دارند کامپیوترهای کوانتومی را از ابزاری آزمایشگاهی به محصولی تجاری تبدیل کنند. در این راستا شرکت کانادایی D-Wave نخستین عرضه کننده رایانه کوانتومی  تجاری لقب گرفته است. پردازنده کوانتومی این کامپیوتر ۲۰۰۰ کیوبیت را می تواند پردازش کند. پردازنده این کامپیوتر بر اساس فرآیند خنک سازی بی دررو عمل کرده می تواند در بهینه سازی محاسبات مفید باشد.

قرار نیست کامپیوتر کوانتومی جای رایانه الکترونیکی را بگیرد

با معرفی کامپیوتر کوانتومی و توانایی بالای آن در محاسبه معادلات پیچیده با سرعت بسیار بالا شاید خیلی ها تصور کنند در آینده کامپیوترهای الکترونیکی به طور کامل توسط رایانه های کوانتومی جایگزین می گردد. این تصور اشتباه است.

فیزیک دانان با استفاده از پدیده های کوانتومی توانسته اند کیوبیت یا واحد اطلاعات کوانتومی بسازند. برخلاف بیت های الکترونیک که یا در حالت خاموش (۰) قرار داشتند یا در حالت روشن (۱)، کیوبیت ها می تواند ۰، ۱ یا هر مقداری بین آنها را داشته باشند. کیوبیت ها می توانند اطلاعات به مراتب بیشتری را ذخیره کنند و چون محاسبات کوانتومی روی تابع موج کیوبیت ها انجام می شود و در هر مرحله اطلاعات بیشتری پردازش می شود، سرعت پردازش رایانه ای کوانتومی به شکل نمایی افزایش پیدا می کند.

مشکل اینجاست که قرار دادن کیوبیت ها در حالت های شکننده کوانتومی و نگهداری آنها در این وضعیت نیازمند شرایط بسیار دشوار و فوق العاده سرد نزدیک به صفر مطلق است و برای فراهم کردن این شرایط از سیستم های خنک کننده رقیق ساز استفاده می شود. پس می توان گفت که کامپیوترهای کوانتومی به طور کامل جای رایانه های کلاسیک را نخواهند گرفت.  

به هر صورت اینک که کامپیوتر کوانتومی را شناختید، به خوبی می دانید که این نوع کامپیوترها در مقایسه با کامپیوترهای کلاسیک تنها از سرعت بسیار بسیار بالاتری در حل مسائل و محاسبات پیچیده برخوردار هستند. رایانه های کوانتومی از قوانین خاص فیزیک کوانتوم پیروی می کند، پدیده هایی که توسط فیزیک کلاسیک قابل بیان نیستند.

نکته دیگری که باید بدانیم این است که در آینده کامپیوترهای کلاسیک و الکترونیکی به طور کامل از بین نخواهند رفت. مشکل بزرگ کامپیوترهای کوانتومی شاید مصرف انرژی زیاد آنها باشد، مسأله ای که ممکن است در آینده بشر را با مشکل تولید انرژی روبرو سازد. به هر حال پیشرفت کامپیوترها با چنان سرعتی اتفاق می افتد که شاید بسیاری از ما نتوانیم همپای آن به پیش برویم. درست مثل قدیم که کسی فکر نمی کرد روزی گوشی های هوشمند با توان پردازش بالا به بازار بیایید و فراگیر شود.