رایانش کوانتومی به زبان ساده؛ معجزه کوانتوم در انجام محاسبات پیچیده

در قلمرو شگفت‌انگیز فیزیک کوانتوم، قوانین حاکم بر دنیای ما دگرگون می‌شوند و دریچه‌ای نو به سوی دنیایی از احتمالات و شگفتی‌ها گشوده می‌شود. در اینجا، ذرات بنیادی مانند الکترون‌ها، با رفتارهای خارق‌العاده‌ی خود، مرزهای درک ما را به‌چالش می‌کشند. ذره‌ای را تصور کنید که می‌تواند در آنِ واحد در دو مکان مختلف باشد، یا به‌طور همزمان از دو مسیر مجزا عبور کند. این پدیده‌های شگفت‌انگیز که در دنیای کلاسیک غیرقابل‌تصور هستند، در دنیای کوانتوم به امری عادی تبدیل می‌شوند.

محاسبات کوانتومی، با بهره‌گیری از این پدیده‌های شگفت‌انگیز، نویدبخش انقلابی در دنیای فناوری اطلاعات است. با استفاده از این روش، می‌توان محاسباتی با سرعتی باورنکردنی انجام داد و گره‌های کور بسیاری از مسائل علمی و مهندسی را گشود.

در دهه‌ی ۱۹۵۰، مردم فقط در اتاق‌های بزرگ مجهز به سیستم تهویه‌ی مناسب به کامپیوترهای غول‌آسا دسترسی داشتند. در اواخر دهه‌ی ۷۰ تا ۸۰ میلادی، افراد به واسطه‌ی انقلاب ریزکامپیوتر‌ها، در خانه‌های خود از وجود کامپیوتر بهره‌مند شدند و تا دهه‌ی ۹۰، از لپ‌تاپ‌هایی بهره می‌بردند که می‌توانستند آن‌ها را در کیف خود حمل کنند. اکنون ما کامپیوتر‌هایی به شکل گوشی‌ هوشمند در جیب‌ خود حمل می‌کنیم که هزاران برابر از کامپیوترهای اولیه سریع‌تر هستند و حتی می‌توانند پردازش‌های هوش مصنوعی انجام دهند.

بااین‌حال، به‌نظر می‌رسد که به‌زودی در این چرخه به بن‌بست خواهیم خورد؛ زیرا باوجود سال‌ها پیشرفت‌ چشم‌گیر و ایجاد دورانی مدرن و هیجان‌انگیز، کامپیوترهای کلاسیک با محدودیت‌ها و مشکلاتی مواجه و از حل آن‌ها عاجز هستند و این دقیقاً همان جایی است که رایانش کوانتومی ظاهر می‌شود.

یکی‌از مهم‌ترین محدودیت‌های کامپیوتر‌های کلاسیک به کوچک‌سازی ترانزیستورها مربوط می‌شود. درحال‌حاضر شرکت‌های تراشه‌سازی واحدهای ترانزیستور را تقریباً به اندازه یک اتم کوچک کرده‌اند که پیشرفت شگرف و غیرقابل باوری محسوب می‌شود. برای درک بهتر آن، تصور کنید که در سیلیکونی به ابعاد یک سکه کوچک می‌توان میلیاردها ترانزیستور را تعبیه کرد! اما حتی اگر یک کامپیوتر کلاسیک به ما در انجام کارهای شگفت‌انگیز کمک کند، مسائل ریاضی و مهندسی بسیار پیشرفته‌تری وجود دارند که از عهده‌ی حل آن‌ها برنمی‌آیند.

حسین خلیلی صفا

همه‌چیز درباره قانون مور؛ موتور پنهان پیشرفت‌ تکنولوژی

مطالعه '14

در این مطلب، پس از آشنایی با عملکرد کامپیوترهای معمولی، با عملکرد کامپیوترهای کوانتومی آشنا می‌شویم و درمورد کاربرد این کامپیوترها و برتری آن‌ها بر کامپیوترهای معمولی صحبت می‌کنیم.

تمام داده‌ها در «مغز» کامپیوترهای معمولی، لپ‌تاپ‌ها و ابرکامپیوترها به شکل صفر و یک درمی‌آیند که به‌ آن‌ها اعداد باینری می‌گوییم. باینری سیستم شمارشی است که سال‌ها قبل از کامپیوتر وجود داشت و رد پای آن را می‌توان در سیستم‌های شمارشی بسیار قدیمی «چوب خط» و «موقعیت ده‌دهی»‌ پیدا کرد.

سیستم شمارشی باینری یا دودویی کاملاً مشابه سیستم شمارشی ده‌دهی است، با این تفاوت که هر رقم به جای صفر تا نه، از صفر تا یک تغییر می‌کند. بنابراین، شمارش در سیستم باینری به‌صورت صفر، یک، ده، ۱۱، ۱۰۰، ۱۰۱، ۱۱۰، ۱۱۱ و ۱۰۰۰ است. دلیل این موضوع آن است که هر رقم باینری تنها دو مقدار دارد. از این‌رو، در سیستم دودویی با اضافه شدن هر رقم، یک توان به ۲ اضافه می‌شود.

اما چرا نخستین سازندگان کامپیوتر، باوجود بهره‌مندی از هوش بالا، از سیستم شمارشی باینری در کامپیوترها استفاده کردند؟ دلیل این موضوع به محدودیت فیزیکی کامپیوترها برمی‌گردد. کامپیوترها از قطعاتی به‌نام ریزترانزیستورها ساخته شده‌اند. این قطعات الکترونیکی می‌توانند به‌کمک بار الکتریکی بسیار ضعیفی، در دو حالت خاموش یا روشن قرار داشته باشند.

شمارش، نخستین هدف در هر کامپیوتری است و کامپیوتر اینکار را به‌کمک میکروترانزیستورها انجام می‌دهد. از سوی دیگر، منطق دیجیتال، پایه و اساس عملکرد کامپیوترها است. این منطق براساس دو حالت درست و غلط بنا شده است که به‌طور کامل با سیستم شمارش باینری همخوانی دارد. بنابراین، با استفاده از این سیستم، حالتِ روشن ترانزیستور را برابر یک و حالتِ خاموشِ آن را برابر صفر در نظر می‌گیریم.

کامپیوترها با استفاده از مدارهایی به‌نام دروازه‌های منطقی کار می‌کنند که از تعدادی ترانزیستور متصل به‌هم ساخته شده‌اند. دروازه‌های منطقی الگوهای بیت‌هایی را که در حافظه‌های موقت ذخیره می‌شوند، مقایسه و سپس آن‌ها را به الگوهای جدیدی از بیت‌ها تبدیل می‌کنند و این معادل چیزی است که مغز ما آن را جمع و تفریق یا ضرب می‌نامد. از نظر فیزیکی، الگوریتمی که محاسبه‌ی خاصی را انجام می‌دهد، به‌شکل یک مدار الکتریکی ساخته‌شده از تعدادی دروازه‌ی منطقی است و خروجی از یک دروازه به‌عنوان ورودی بعدی استفاده می‌شود.

آنچه که گفته شد شگفت‌انگیز به‌نظر می‌رسد؛ اما این همان جایی است که توان محاسباتی کامپیوترهای مرسوم به اشباع‌شدن نزدیک می‌شود. هرچه اطلاعات بیشتری برای ذخیره‌سازی نیاز باشد، به بیت‌ها و ترانزیستورهای بیشتری نیاز خواهد بود؛ بنابراین، ترانزیستورها وظیفه‌ی بسیار مهمی در کامپیوترهای کنونی بر عهده دارند و این درحالی است که ما به محدودیت کوچک‌سازی آن‌ها نزدیک می‌شویم.

درحال‌حاضر، غول‌های تراشه‌ساز نظیر TSMC دحال تحقیق و توسعه روی تراشه‌های یک نانومتری هستند. اصلی‌ترین چالشِ شرکت‌های سازنده‌ی تراشه، یافتن ساختار ترانزیستور و همچنین مواد ترانزیستوری مناسب است. سال‌ها قبل، گوردون مور اعلام کرد تعداد ترانزیستورهایی که می‌توانند در مدارِ مجتمع با مساحت ثابت قرار بگیرند، هر دو سال یک‌بار، دو برابر می‌شود. این قانون، موتور پنهانِ پیشرفت صنعت کامپیوتر بود. اما این قانون برای همیشه برقرار نیست. با نزدیک شدن اندازه‌ی مدارها به مقیاس اتمی و محدودیت فیزیکی الکترون‌ها، برخی پژوهشگران و شرکت‌های بزرگ مانند شرکت انویدیا پایان این قانون را بسیار نزدیک می‌دانند.

محاسبات نشان می‌دهد که ترانزیستورها با ابعاد کوچک‌تر از ۵ نانومتر به‌دلیل پدیده‌ای به نام تونل‌زنی کوانتومی قادر به کنترل حرکت آزادانه‌ی حامل‌های بار نخواهند بود. در واقع، با کوچک‌تر شدن ترانزیستورها، الکترون‌ها می‌توانند از لایه‌ی تهی عبور کنند و عملکرد ترانزیستور مختل شود. این موضوع به معنای بن‌بست در کوچک‌سازی ترانزیستورها است. ازآنجا که سیلیکون ماده‌ی اصلی ساخت تراشه‌های کامپیوتری است، ساخت تراشه‌ای با ابعاد کوچک‌تر از یک نانومتر عملاً غیرممکن خواهد بود.

پیامد‌ این بن‌بست، محدود شدن سرعت پردازش و نبود امکان ساخت تراشه‌های قدرتمند‌تر است. راه حل هم کامپیوترهای کوانتومی است.

ایده‌ی اصلی نهفته در کامپیوتر‌های کوانتومی این است که می‌توانند از خواص و قوانین فیزیک کوانتوم برای ذخیره‌سازی و انجام عملیات روی داده‌ها استفاده کنند. کامپیوترهای کوانتومی با تکیه‌بر ویژگی‌های کوانتومی ذرات زیراتمی، برخی محاسبات را سریع‌تر از کامپیوترهای کلاسیک انجام می‌دهند.

مبانی اصلی کامپیوتر کوانتومی به حدود چهار دهه پیش و نظریه‌ی ساخت کامپیوتر کلاسیک با برخی از اِلِمان‌های مکانیک کوانتوم، به وسیله‌ی فیزیک‌دان آمریکایی، پائول بنی‌اُف (Paul Benioff) بازمی‌گردد و در طی سال‌ها، افراد زیادی به تحقیق‌وتوسعه و نظریه‌پردازی دراین‌باره پرداخته‌اند؛ اما عده‌ای از جامعه علمی بر این باورند که دیوید دویچ، اولین انگیزه و بنیاد تحقیق درمورد کامپیوتر کوانتومی را پایه‌گذاری کرده است.

افرادی همچون ریچارد فاینمن، دیوید دویچ و یوری مانین در سلسله‌ مراتب تحقیقات خود به ایده‌ی مدل مکانیک کوانتومی از یک ماشین تورینگ دست یافتند که نشان می‌داد از یک کامپیوتر کوانتومی می‌توان برای شبیه‌سازی چیزهایی استفاده کرد که به‌سادگی نمی‌توان آن‌ها را ازطریق کامپیوتر کلاسیک و با استفاده از فیزیک کلاسیک شبیه‌سازی کرد.

برای مثال، در سال ۱۹۹۴ دان سیمون در نظریه‌ای نشان داد که یک کامپیوتر کوانتومی می‌تواند از نظر نمایی سریع‌تر از یک کامپیوتر کلاسیک باشد. البته کامپیوترهای کوانتومی قصد جایگزینی کامپیوتر‌های کلاسیک را ندارند؛ زیرا آن‌ها ابزار متفاوت، گران و بسیار پیچیده‌ای هستند که به ما برای حل مشکلات پیچیده‌ای که خارج از توانایی‌های یک کامپیوتر کلاسیک است، کمک خواهند کرد. به‌عبارت دیگر، همان‌طور که لامپ‌، نسخه‌ی قدرتمندترِ شمع نیست، کامپیوترهای کوانتومی نیز نسخه‌ی پیشرفته‌تر کامپیوترهای معمولی نیستند؛ چراکه کامپیوترهای کوانتومی با کنترل رفتار ذرات کوانتومی، کار می‌کنند و فناوری ساخت و عملکرد کاملاً متفاوتی از کامپیوتر معمولی دارند.

نظریه‌ی کوانتوم شاخه‌ای از فیزیک است که به دنیای اتم‌ها و ذرات کوچک‌تر (زیر اتمی) درون آن‌ها وارد می‌شود. در حقیقت، محاسبات کوانتومی مبنای خود را بر اصولی بنا نهاده است که دانشمندان سال‌ها در کوچک‌ترین ذرات طبیعت نظیر اتم‌ها، فوتون‌ها یا الکترون‌ها مشاهده کرده‌اند.

محاسبات کوانتومی راه ما برای تقلید از طبیعت برای حل مشکلات فوق‌العاده دشوار، اما قابل حل آن‌ها است.

- باب سوتور، IBM

برای آشنایی بهتر با محاسبات کوانتومی و قدرت کامپیوترهای کوانتومی، بازی کوچکی را با یکدیگر انجام می‌دهیم. فرض کنید با دوستان خود در یکی از بازی‌های کامپیوتری به نام پرتاب سکه‌ شرکت می‌کنید. کامپیوتر در برابر هر حرکت شما در بازی، حرکت متقابلی انجام می‌دهد. بازی با سکه‌ای که رو را نشان می‌دهد و با کامپیوتر در نقش نخستین شرکت‌کننده آغاز می‌شود. کامپیوتر می‌تواند انتخاب کند که سکه را پرتاب کند یا خیر، اما شما نتیجه را مشاهده نمی‌کنید.

سپس، نوبت شما می‌شود؛ شما نیز این حق را دارید که سکه را پرتاب کنید یا خیر. هر حرکتی انجام دهید، به کامپیوتر نشان داده نمی‌شود. در ادامه، کامپیوتر بازی را ادامه‌ می‌دهد و شما هیچ اطلاعی از نتیجه نخواهید داشت. پس از سه نوبت بازی، سکه نشان داده می‌شود:

• اگر سکه رو باشد، کامپیوتر برنده می‌شود.
• اگر سکه پشت باشد، شما برنده می‌شوید.

این بازی بسیار ساده است و اگر همه چیز به‌درستی کار کند، شما با احتمال ۵۰ درصد برنده‌ی بازی خواهید بود. حال اگر به جای بازی با کامپیوتر معمولی، این بازی را با کامپیوتر کوانتومی انجام دهید، چه اتفاقی رخ می‌دهد؟

جواب این است که پس از هر بار بازی، کامپیوتر کوانتومی با احتمال ۹۷ درصد برنده می‌شود. به‌عبارت دیگر، برخلاف بازی با کامپیوتر معمولی که با احتمال ۵۰ درصد برنده می‌شدید، اینجا با احتمال ۹۷ درصد می‌بازید. فراموش نکنید ۳ درصد احتمال باخت کامپیوتر کوانتومی نیز به‌دلیل اشتباهات عملکردی آن است.

کامپیوترهای معمولی با استفاده از واحدی به نام بیت کار می‌کنند که می‌تواند صفر یا یک باشد. اما کامپیوترهای کوانتومی از بیت‌های کوانتومی به نام کیوبیت (Qubit) استفاده می‌کنند. برخلاف بیت‌ که صفر یا یک است، کیوبیت می‌تواند همزمان صفر یا یک یا هر ترکیبی از آن‌ها باشد. این همان چیزی است که به کامپیوتر کوانتومی قدرت محاسباتی فوق‌العاده‌اش را می‌دهد. این حالت برهم‌نهی کوانتومی نام دارد؛ پدیده‌ای عجیب و فوق‌العاده در فیزیک کوانتوم.

در برهم‌نهی کوانتومی، یک جسم می‌تواند همزمان در دو حالت وجود داشته باشد. بارزترین مثال در این مورد نظریه گیج‌کننده‌ای است که به «گربه‌ شرودینگر» شناخته می‌شود. به‌طور خلاصه، در دنیای عجیب نظریه‌ی کوانتوم، می‌توان شرایطی را متصور بود که موجودی شبیه به گربه هم‌زمان زنده و مرده باشد!

کیوبیت، مانند بیت، یک سیستم فیزیکی واقعی و تا قبل‌از اندازه‌گیری، ترکیبی از صفر و یک است. اما پس از اندازه‌گیری، کیوبیت برابر صفر یا یک خواهد بود. این بدان معنا است که اندازه‌گیری، ترکیب صفر و یک را برهم می‌زند و تنها به ما یک نتیجه می‌دهد.

هر ترانزیستور را در کامپیوترهای معمولی به‌عنوان یک بیت در نظر می‌گیریم، اما سوال اصلی آن است که چه چیزی را می‌توانیم به‌عنوان کیوبیت در نظر بگیریم. یک تک فوتون، یک هسته یا یک الکترون را می‌توانیم به عنوان کیوبیت انتخاب کنیم. گروهی از پژوهشگران از بیرونی‌ترین الکترونِ اتم فسفر به عنوان کیوبیت استفاده کردند.

تمام الکترون‌ها میدان مغناطیسی دارند، بنابراین آن‌ها را می‌توانیم به‌عنوان آهنرباهای کوچک در نظر بگیریم. به این ویژگی اسپین می‌گوییم؛ هر الکترون، همانند قطب‌نما، با قرار گرفتن در میدان مغناطیسی، در جهت میدان قرار می‌گیرد. این حالت، کمترین حالت انرژی، حالت صفر یا حالتِ اسپین پایین نام دارد. همچنین، با صرف انرژی لازم می‌توانیم الکترون را در خلاف جهت میدان مغناطیسی با حالت، اسپین بالا قرار دهیم.

عقربه‌ی قطب‌نما در حالت عادی درجهت میدان مغناطیسی زمین قرار می‌گیرد، اما با برداشتن درپوش قطب‌نما و صرف انرژی، می‌توانیم عقربه را در خلاف جهت میدان قرار دهیم. بنابراین، حالتِ اسپین بالا انرژی بیشتری نسبت به حالتِ اسپین پایین دارد. تا اینجا رفتار الکترون مشابه بیت است، اسپین بالا یا اسپین پایین. اما الکترون به عنوان ذره‌ای کوانتومی، همزمان می‌تواند در هر دو حالت قرار داشته باشد. این موضوع تا قبل‌از اندازه‌گیری اسپین الکترون برقرار است.

به‌محض اندازه‌گیری، اسپین الکترون در حالت بالا یا پایین و نه ترکیب این دو به‌دست می‌آید. این موضوع بدان معنا است که اندازه‌گیری می‌تواند حالت برهم‌نهی کوانتومی را به‌هم بزند. نکته‌ی جالب آن است که الکترون ممکن است با احتمال یکسان یا غیریکسان در حالت اسپین بالا یا پایین یافت شود.

اگر دو کیوبیت یا دو الکترون داشته باشیم چه اتفاقی رخ می‌دهد؟ همان‌طور که گفتیم هر الکترون را می‌توانیم به صورت آهنربای کوچکی در نظر بگیریم که میدان مغناطیسی کوچکی در اطراف خود ایجاد می‌کند. بنابراین، میدان ایجاد شده، انرژی الکترون دیگری را که در فاصله‌ی کمی از آن قرار داشته باشد، تغییر می‌دهد.

جهت اسپین هر الکترون را می‌توانیم با اعمال میدان مغناطیسی نوسانی، تغییر دهیم. فرکانس نوسانِ میدان، متناسب با تفاوت انرژی بین حالت اسپین بالا و پایین است. اما اگر اسپین دیگری در همسایگی اسپین اول قرار داشته باشد، انرژی کل همچنین به حالت اسپین اول بستگی دارد.

فرض کنید دو اسپین به نام‌‌های A و B در حالت صفر (پایین) داریم، سپس اسپین A را در حالت برهم‌نهی صفر و یک قرار می‌دهیم.

در حالتی که دو اسپین A و B در حالت صفر قرار دارند، جهت اسپین B را می‌توانیم با اعمال فرکانسی مشخص تغیر دهیم. حال همان فرکانس را بار دیگر در حالتی که اسپین A برهم‌نهی حالت‌های صفر و یک است، وارد می‌کنیم. از آنجا که اسپین A همزمان در دو حالت صفر و یک قرار دارد، اسپین B هم تغییر جهت می‌دهد و هم تغییر جهت نمی‌دهد. حالت نهایی، برهم‌نهی دو حالت ۰-۱ و ۱-۰ است.

حالت ۱-۰ به‌ این دلیل به‌وجود می‌آید که اسپین B، هنگامی که A در حالت صفر قرار دارد، در حالت یک قرار می‌گیرد. به طور مشابه، حالت ۰-۱ به‌ این دلیل به‌وجود می‌آید که اسپین B، هنگامی که A در حالت یک قرار دارد، در حالت صفر باقی می‌ماند. در اینجا ما هیج ایده‌ای از جهت‌گیری اسپین‌ها نداریم، اما می‌دانیم در جهت‌های مختلف یکدیگر قرار گرفته‌اند. به این حالت، درهم‌تنیدگی کوانتومی می‌گوییم.

اگر دو اسپین را پس از درهم‌تنیده شدن از یکدیگر جدا کنیم و اسپین A پس‌از اندازه‌گیری، حالت صفر را نشان دهد، بدون لحظه‌ای تردید می‌دانیم اسپین B در حالت یک قرار دارد. این موضوع اگرچه برای اینشتین قابل‌قبول نبود، پایه و اساس فیزیک کوانتوم و محاسبات کوانتومی است. کدهای کوانتومی که براساس حالت‌های درهم‌تنیده ساخته می‌شوند، با کدهای کلاسیکی تفاوت اساسی دارند. این کدها از قوانین منطق کلاسیکی پیروی نمی‌کنند و می‌توانند محاسباتی را انجام دهند که فراتر از توانایی کامپیوترهای کلاسیکی است.

حالت‌های ممکن برای دو بیت به صورت زیر نوشته می‌شوند:

۰-۰ و ۱-۰ و ۰-۱ و ۱-۱

دو بیت در یکی از چهار حالت بالا قرار دارند، اما دو کیوبیت ترکیبی از این چهار حالت هستند و با احتمال مشخصی در یکی از این چهار حالت قرار گرفته‌اند. بنابراین،‌ برای تعیین حالت یک سیستم دو الکترونی (دو کیوبیت) باید چهار عدد (چهار احتمال) داشته باشیم. اما در حالت دو بیت، تنها کافی است مقدار هر یک از بیت‌ها را بدانیم.

از این‌رو، دو کیوبیت شامل ۴ بیت اطلاعات هستند. اگر سه الکترون یا سه کیوبیت داشته باشیم، به ۸ عدد و اگر چهار کیوبیت داشته باشیم، به ۱۶ عدد نیاز داریم و بدین‌صورت با افزایش کیوبیت‌ها، تعداد عددهای خواسته‌شده با توان دو افزایش می‌یابند. بنابراین، با افزایش تعداد کیوبیت‌ها، تعداد کدهای کامپیوتری درهم‌تنیده نیز به‌سرعت و به‌صورت نمایی افزایش می‌یابد. دسترسی به این حالات درهم‌تنیده، کلید استفاده از قدرت محاسباتی باورنکردنیِ کامپیوترهای کوانتومی است.

فراموش نکنید اگرچه کیوبیت‌ها می‌توانند در هر ترکیبی از حالت‌ها وجود داشته باشند، پس‌از اندازه‌گیری، ترکیب‌ حالت‌ها ازبین می‌رود و کیوبیت به یکی‌از حالت‌های پایه‌ می‌رود. درنتیجه، حالت‌های درهم‌تنیده بسیار ناپایدار هستند و به‌راحتی با کوچک‌ترین برهم‌کنش با دنیای بیرون، از بین می‌روند. از این‌رو، ساخت کامپیوتر کوانتومی به تلاش و ممارست بسیاری نیاز دارد. این کامپیوتر باید در محیطی کنترل‌شده قرار داشته باشد تا حالت‌های درهم‌تنیده با دنیای بیرون ارتباطی نداشته باشند.

همان‌طور که گفتیم، افزایش کیوبیت‌ها سبب افزایش قدرت محاسبات کوانتومی می‌شود، اما افزایش کیوبیت‌ها به‌خاطر پدیده‌ی «ناهمدوسی کوانتومی» (Decoherence) بسیار چالش‌برانگیز است. تعامل کیوبیت‌ها با محیط خود به گونه‌ای که باعث تجزیه و در نهایت از‌بین‌رفتن رفتار کوانتومی آن‌ها شود، «همدوسی کوانتومی» نامیده می‌شود. هنگامِ اجرای الگوریتم‌ها روی یک کامپیوتر کوانتومی، نتایج آن‌ها را به‌طور کلی با مشاهده‌ی نحوه‌ی تاثیرگذاری الگوریتم‌ها بر مجموعه‌ای از کیوبیت‌های درهم‌تنیده به‌دست می‌آوریم.

برای دانستن تأثیر الگوریتم‌ها، باید بدانیم از کجا آغاز کرده‌ایم و حالت کیوبیت‌ها قبل از اجرای الگوریتم‌ها را بدانیم. فراموش نکنید ذرات کوانتومی به‌اندازه‌ای کوچک‌اند که کار بسیار سختی را پیشِ رو داریم. اگر ذرات توسط عاملی که آن‌ را مشاهده نمی‌کنیم تغییر کنند، چه اتفاقی رخ می‌دهد؟ اگر تغییرات حالت ذرات کوانتومی را متوجه نشویم و کد موردنظر را اجرا کنیم، چه اتفاقی رخ می‌دهد؟ جواب این است که داده‌های دریافت‌شده مطلوب ما نخواهند بود.

برخی متغیرهایی که توجهی به آن‌ها نداریم، نتیجه را تغییر می‌دهند. اما سوال اصلی آن است که چه عواملی می‌توانند مشخصات و ویژگی‌های سیستم کوانتومی پیچیده‌ی ما را تغییر دهند؛ هر چیزی می‌تواند. سیستم‌های کوانتومی به‌شدت ناپایدار و شکننده هستند. اگر کیوبیت‌های ما با برخی اتم‌های سرگردان، با مولکول‌های هوا و یا با فوتون‌های دیگر برخورد کنند، هر یک از این موارد می‌تواند منجر به ناهمدوسی کوانتومی شود. حتی اندازه‌گیری و مشاهده نیز می‌تواند تابع موج و حالت کوانتومی ما را تغییر دهد.

به‌همین‌دلیل و برای قطع تعامل با عوامل خارجی، پروژه‌های محاسبات کوانتومی در دمای بسیار پایین و شرایط فوق‌العاده ایزوله انجام می‌شوند. بنابراین، هدف پژوهشگران در ساخت کامپیوترهای کوانتومی، تنها افزایش کیوبیت نیست، بلکه به‌دنبال راهی برای حفظ همدوسی و انسجام حالت‌های کوانتومی در محیطی با دمای بالاتر و معمولی هستند.

وقتی نوری که به عنوان یک موج رفتار می‌کند، به یک دیواره یا پرده برخورد می‌کند، رفتار خود را تغییر می‌دهد و مانند یک ذره عمل می‌کند. این پدیده، فروپاشی تابع موج نامیده می‌شود و یکی از اسرارآمیزترین مفاهیم در فیزیک کوانتوم است. این پدیده نشان می‌دهد که عمل مشاهده می‌تواند بر روی سیستم کوانتومی تأثیر بگذارد و باعث تغییر حالت آن شود. در کامپیوترهای کوانتومی ما نقش دیوار را ایفا می‌کنیم.

همان‌طور که گفتیم، آرایه‌ی کیوبیت‌های درهم‌تنیده به‌دلیل برهم‌نهی کوانتومی (شکل موجی احتمالی)، مفید است. تمام محاسبات روی این موج انجام می‌شود، اما همانطور که از آزمایش دو شکاف می‌دانیم، هرگونه تلاش برای مشاهده یک برهم‌نهی کوانتومی، باعث فروپاشی آن و تبدیل به یک تک نقطه (حالت کلاسیکی صفر و یک یا بیت) خواهد شد.

مرجان شیخی

الگوریتم شور به زبان ساده؛ رمزگشایی داده در کامپیوتر کوانتومی

مطالعه '24

آیا می‌توان راهی برای استفاده از تابع موج فروپاشیده یافت؟ کامپیوترهای کوانتومی براساس اصول مکانیک کوانتومی کار و از تابع موج برای نمایش اطلاعات استفاده می‌کنند. فرض کنید از کامپیوتر کوانتومی سوالی می‌پرسیم که درنتیجه‌ی آن تابع موج فرو می‌پاشد و داده‌های ایجادشده را می‌توانیم با استفاده از روش‌های محاسبات کلاسیک تفسیر کنیم.

ازآنجاکه این کار را در مقیاس برهم‌نهی کوانتومی انجام می‌دهیم، داده‌ها را نمی‌توانیم استخراج کنیم. در واقع، مجموعه‌ی داده‌ها و پاسخ را نمی‌بینیم. اما با انتخاب درستِ الگوریتم به‌راحتی می‌توانیم داده‌ها و نتایج را مهندسی و مدیریت کنیم. از این‌رو، شکل موجی کوانتومی کیوبیت‌ها به‌گونه‌ای فروپاشیده می‌شوند که به پرسش «آیا بهرام در هتل است؟» به صورت بله یا خیر پاسخ دهد. این بدان معنا است که کامپیوترهای کوانتومی جایگزین کامپیوترهای کلاسیک نیستند.

در بخش‌های پیشین با نیمی از کارکرد کامپیوترهای کوانتومی (برهم‌نهی و درهم‌تنیدگی) آشنا شدیم؛ اما اگر بخواهید یک کامپیوتر کوانتومی را تعریف یا توصیف کنید، چه چیزی در ذهنتان خطور می‌کند؟ شاید یک کامپیوتر معمولی را ببینید که فقط بزرگ‌تر است و جادوی فیزیکِ کوانتوم در بطن آن‌ جریان دارد؛ اما این‌گونه نیست، لپ‌تاپ، دسکتاپ یا اَبَرکامپیوتر‌ها را فراموش کنید. کامپیوترهای کوانتومی از نظر ظاهر و از همه مهم‌تر نحوه‌ی پردازش اطلاعات بسیار متفاوت هستند.

چگونه می‌توانیم مفاهیمی مانند برهم‌نهی و درهم‌تنیدگی کوانتومی را به صورت فیزیکی و در غالب کامپیوتر کوانتومی به دنیای واقعی وارد کنیم؟ نخستین نکته در ساخت کامپیوتر کوانتومی، نگهداری آن در دمای بسیار پایین و نزدیک به صفر مطلق (۲۷۳- درجه‌ی سانتی‌گراد) است که در این دما کیوبیت‌ها (الکترون‌ها) می‌توانند حالت کوانتومی خود را حفظ کنند. نکته‌ی مهم در ساخت کامپوترهای کوانتومی توجه به این نکته است که افزایش کیوبیت‌ها به‌راحتی افزایشِ بیت‌ها در کامپیوترهای معمولی نیست.

درحال‌حاضر روش‌های مختلفی برای ساخت کامپیوتر کوانتومی و مهم‌ترین اجزای آن‌ها، یعنی کیوبیت‌ها وجود دارد و شرکت‌ها به‌نوعی در حال آزمون‌وخطا برای دست‌ یافتن به فرمولی بهتر از رقبا هستند. به‌جز الکترون‌ها از اتم‌های خنثی نیز می‌توان به‌عنوان کیوبیت استفاده کرد. در کامپیوترهای کوانتومیِ اتم‌خنثی، اتم‌ها داخل شبکه‌ای اپتیکی قرار گرفته‌اند و با استفاده از لیزرها و میدان‌های مغناطیسی در تله‌های اپتیکی به دام می‌افتند.

این تله‌ها به دانشمندان اجازه می‌دهند تا اتم‌ها را در موقعیت‌های بسیار دقیقی قرار دهند و به‌طور جداگانه به آن‌ها دسترسی داشته باشند. همچنین، با استفاده از پالس‌های لیزری می‌توان عملیات کوانتومی مختلفی را روی کیوبیت‌ها انجام داد؛ این عملیات شامل ایجاد هم‌پوشانی، درهم‌تنیدگی و اندازه‌گیری هستند.

در نوع دیگری از کامپیوترهای کوانتومی از یون‌های به‌دام‌افتاده (اتم‌های باردار) به‌عنوان کیوبیت استفاده می‌کنند. این یون‌ها در یک میدان الکتریکی و مغناطیسی نوسانی قوی به دام می‌افتند. به‌کمک لیزر می‌توانیم یو‌ن‌ها را کنترل و حالت‌های کوانتومی آن‌ها را دست‌کاری کنیم و عملیات محاسباتی انجام دهیم.

امیرحسین دباغی

ابررسانا؛ ماده‌ اسرارآمیزی که می‌تواند تکنولوژی آینده را متحول کند

مطالعه '8

کامپیوترهای کوانتومی ابررسانا نوع دیگری از کامپیوترهای کوانتومی هستند که شباهت زیادی به کامپیوترهای کلاسیک دارند. در این نوع کامپیوتر از مدارهای الکتریکی ابررسانا برای ساخت کیوبیت استفاده می‌شود. ماده‌ی ابررسانا ماده‌ای با مقاومت الکتریکی صفر است که جریان الکتریکی تا ابد از آن می‌گذرد. در رساناهای معمولی، با کاهش دما، مقاومت الکتریکی نیز کاهش می‌یابد و این کاهش در جایی متوقف می‌شود. اما در برخی مواد، کاهش مقاومت با کاهش دما ادامه می‌یابد و سرانجام در دمایی به نام دمای گذار، مقاومت الکتریکی ناگهان صفر می‌شود.

با استفاده از مواد ابررسانا مدارهای الکتریکی جالبی می‌توان ساخت و از آن‌ها در کامپیوترهای کوانتومی ابررسانا استفاده کرد. بسته به نوع مدار ابررسانای ساخته شده، جریان‌های الکتریکی متفاوتی وجود خواهند داشت که می‌توان آن‌ها را به‌عنوان حالت‌های صفر و یک در نظر گرفت. جالب است بدانید که حتی کوچک‌ترین نویز محیطی می‌تواند به کیوبیت‌های ابررسانا آسیب برساند و باعث از دست رفتن اطلاعات کوانتومی شود.

اما چرا ابررساناها گزینه‌ی خوبی برای فناوری‌های کوانتومی هستند؟ جواب تاحدودی قابل پیش‌بینی است. از آنجا که ابررسانایی به‌خودی‌خود یک پدیده‌ی کوانتومی است، حامل‌های بار الکتریکی در یک ابررسانا ابتدا جفت و سپس در یک حالت کوانتومی متراکم می‌شوند که گویی یک اتم بزرگ هستند. با استفاده از تماس‌های کوچک بین ابررساناها و اتصالات جوزفسون، محققان می‌توانند انواع مدارهای کوانتومی را به دلخواه مهندسی و الگوریتم‌های کوانتومی را روی آن‌ها اجرا کنند.

شرکت‌های مختلف فناوری، روش‌های مختلفی را برای ساخت کیوبیت‌ها و کامپیوترهای کوانتومی دنبال می‌کنند. برای مثال، گوگل و IBM از مدارهای ابررسانا استفاده می‌کنند که تقریباً در صفر مطلق خنک می‌شوند. از طرف دیگر، هانی‌ول طراحی تله‌یونی کیوبیت‌ها را از اتم‌های ایتربیم مجهز به بار الکتریکی تولید می‌کند. اینتل برای تولید کیوبیت از الکترون و اسپین آن و Xanadu برای کیوبیت‌هایش از فوتون بهره می‌گیرد و پردازنده‌های کوانتومی آن در دمای اتاق کار می‌کنند.

اگر از یک کامپیوتر معمولی بخواهید راه خود را از پیچ و خم محدودیت‌ها و پردازش‌های سنگین خارج کند، به نوبه‌ی خود تک تک شاخه‌ها و مسیرهای پیشرو را امتحان می‌کند و همه آن‌ها را به‌صورت جداگانه رد می‌کند تا شاخه‌ی مناسب را پیدا کند. این در حالی است که یک کامپیوتر کوانتومی می‌تواند همه مسیرهای پیشرو را در یک زمان به‌صورت موازی طی کند؛ ویژگی‌ای که درواقع مربوط‌به همان پدیده برهم‌نهی می‌شود.

اگر مقاله را تا به ایجا دنبال کرده باشید، قطعاً متوجه پتانسیل عظیم رایانش کوانتومی و نقش آن در آینده محاسبات شده‌اید. بااین‌حال، این تنها آغاز ماجرا است و عملی ساختن ایده‌های آن برای استفاده از کامپیوترهای کوانتومی در محیط‌ها و شرایط مختلف هنوز یک چالش اساسی است. به‌عبارت دیگر، با وجود اثبات مفاهیم و دلایل هیجان‌انگیز رایانش کوانتومی، منصفانه است که بگوییم جهان به‌زودی‌ قادر به پذیرش این فناوری نخواهد بود و به پتانسیل و قدرت عظیم رایانش کوانتومی نزدیک نشده است.

قدرت یک کامپیوتر کوانتومی در این واقعیت نهفته است که سیستم را می‌توان در ترکیبی از تعداد بسیار زیادی حالت قرار داد. گاهی اوقات از این واقعیت برای استدلال اینکه ساخت یا کنترل کامپیوتر کوانتومی غیرممکن است، استفاده می‌شود. اصل بحث این است که تعداد پارامترهای مورد نیاز برای توصیف وضعیت آن بسیار زیاد است.

کنترل یک کامپیوتر کوانتومی و اطمینان از اینکه حالت آن تحت تأثیر منابع مختلف خطا قرار نمی‌گیرد، یک چالش مهندسی خواهد بود. چندین دهه است که کامپیوترهای مرسوم مبتنی‌بر ترانزیستور و معماری‌های آشنا ساخته می‌شوند و به‌عبارتی، ما به تبحر خاصی در ساخت و توسعه این ماشین‌های پردازشی، دست یافته‌ایم.

در سوی دیگر، ساخت ماشین‌های کوانتومی به معنای ابداع مجدد کل ایده کامپیوتر از ابتدا تابه‌کنون است. در این مسیر طبیعتاً مشکلات فراوانی نظیر ساخت کیوبیت‌های مقاوم‌تر، کنترل دقیق و داشتن آن‌ها به اندازه کافی برای انجام کارهای واقعا مفید وجود دارد. در مرحله بعد، مشکل بزرگ دیگری در مورد خطاهای ذاتی در یک سیستم کوانتومی وجود دارد که از نظر فنی «نویز» نامیده می‌شود.

نویزهای محیطی هرگونه محاسبه کامپیوترهای کوانتومی را به‌طور جدی به خطر می‌اندازند. البته باید به این نکته اشاره کرد که راه‌هایی همچون تصحیح خطا برای مقابله با این مشکلات وجود دارد؛ اما آن‌ها معمولاً پیچیدگی بیشتری را ایجاد می‌کنند. همچنین مسئله‌ی اساسی نحوه‌ی دریافت داده‌ها از داخل و خارج از کامپیوتر کوانتومی وجود دارد که خود یک مشکل محاسباتی پیچیده است. برخی از منتقدان معتقدند این مسائل قابل حل نیستند؛ درحالی‌که برخی دیگر مشکلات مذکور را می‌پذیرند و بر این باور هستند که می‌توان آن‌ها را به مرور برطرف کرد.

ریچارد فاینمن سال‌ها قبل گفته بود:

جهان کوانتومی را نمی‌توانیم با دستگاه غیرکوانتومی شبیه‌سازی کنیم.

محاسبات کوانتومی می‌تواند زندگی ما را در همه‌ی ابعاد تغییر دهد، از مهندسی گرفته تا پزشکی و شیمی. در سال‌ ۲۰۱۹ کامپیوتر کوانتومی ۵۴ کیوبیتی گوگل توانست محاسبات پیچیده‌ای را در مدت زمان ۲۰۰ ثانیه انجام دهد. ابرکامپیرترهای کلاسیک برای انجام این محاسبات به حدود ده هزار سال زمان نیاز دارند. بنابراین، با محاسبات کوانتومی می‌توانیم محاسبات بسیار پیچیده‌ای را در مدت زمان بسیار کوتاهی انجام دهیم.

اگر بتوانیم برخی پدیده‌ها را در مقیاس مولکولی و کوانتومی شبیه‌سازی کنیم، درک بهتری از چگونگی انجام واکنش‌های شیمیایی در مقیاس کوانتومی خواهیم داشت. تولیدکنندگان خودرو مانند فولکس واگن و دایملر از کامپیوتر‌های کوانتومی برای شبیه‌سازی ترکیب شیمیایی باتری‌های خودروهای برقی استفاده می‌کنند تا راه‌های جدیدی را برای بهبود عملکرد آن‌ها پیدا کنند. در این میان، شرکت‌های دارویی از آن‌ها برای تجزیه‌وتحلیل و مقایسه ترکیباتی که می‌تواند منجر به ایجاد داروهای جدید شود، بهره می‌گیرند. همچنین، کامپیوترهای کوانتومی به ما کمک می‌کنند شیمی پیچیده‌ی مغز را بهتر بفهمیم.

به کمک محاسبات کوانتومی و کامپیوترهای کوانتومی مبتنی‌بر آن‌ها می‌توانیم محیط زیست را به صورت انقلابی و بنیادی نجات دهیم. سالانه بیش‌از یک درصد از کل انرژی جهان صرف تولید کود شیمیایی می‌شود. زیرا کود شیمیایی در فرآیندی پیچیده و ناکارآمد و با مقدار زیادی گاز طبیعی تولید می‌شود که در صد سال گذشته بهبود چندانی نیافته است. اما با استفاده از محاسبات کوانتومی شاید بتوانیم کاتالیزور بسیار کارآمدتری پیدا کنیم و سالانه در مصرف میلیون‌ها تن گاز طبیعی در جهان صرفه‌جویی و از انتشار گازهای گلخانه‌ای جلوگیری کنیم.

امروزه یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های محیط زیست، افزایش سطح دی‌اکسیدکربن در جوِ زمین است و برای جذب این گاز از سیستم‌های بزرگ و پرهزینه در نیروگاه‌ها استفاده می‌کنیم. به کمک شیمی کوانتوم و انجام محاسبات کوانتومی می‌توانیم کاتالیزورهایی بسازیم که بتوانند به‌صورت موثر و مستقیم، دی‌اکسیدکربن را از هوا جذب کنند. در این صورت، گام بزرگی در حل بحران CO2 برداشته‌ایم و محیط زیست را از وقوع فاجعه‌ای در آینده نجات داده‌ایم.

پژوهشگران سال‌ها به دنبال ساخت ماده ابررسانایی هستند که بتواند در دمای اتاق، خاصیت خود را حفظ کند. برای انجام این کار، پژوهش‌ها باید در مقیاس کوانتومی و با دقت بالا انجام شوند. کامپیوترهای کوانتومی با توانایی فوق‌العاده‌ی خود به‌راحتی می‌توانند از عهده‌ی این کار برآیند.

از نظر تئوری، با کمک محاسبات کوانتومی به‌همراه اینترنت کوانتومی می‌توان کلیدهای رمزنگاری بسیار امنی ایجاد کرد که عملاً غیرقابل هک هستند. در این صورت، کسب‌وکارها و افراد امنیت بالاتری دارند و اطلاعات آن‌ها به‌راحتی نشت نمی‌کند. رایانش کوانتومی همچنین با معرفی مفاهیم جدیدی مانند توزیع کلید کوانتومی (Quantum Key Distribution یا QKD) امکان تشخیص شنود را در ارتباطات فراهم می‌کند. در این حالت، طرفین ارتباط به سرعت و از طریق ناهنجاری‌های منتقل‌شده، شنود را تشخیص می‌دهند. اما فراموش نکنید بدون اینترنت کوانتومی نمی‌توانیم به این سطح از امنیت برسیم.

اگرچه رایانش کوانتومی می‌تواند تحول بزرگی در سیستم رمزنگاری و امنیت ایجاد کند، وجود آن‌ها می‌تواند تهدیدی برای حریم خصوصی و اطلاعات دیجیتال جهان باشد. دلیل این موضوع آن است که کامپیوترهای کوانتومی به‌راحتی می‌توانند سخت‌ترین رمزهای امروزی را بشکنند.

هوش مصنوعی به‌زودی به بخش جدایی‌ناپذیر زندگی ما تبدیل می‌شود؛ با پیشرفت کامپیوترهای کوانتومی به مدل‌های هوش مصنوعی پیشرفته‌تر و تواناتری دسترسی خواهیم داشت. همچنین، محاسبات کوانتومی امکان گذار به مدل‌هایی موسوم به «هوش مصنوعی قوی» (IGA) را فراهم خواهد کرد که با کمترین یا بدون دخالت انسان، خود را توسعه و بهبود می‌بخشند.

کامپیوترهای کوانتومی همچنین برای مشکلات مربوط‌به بهینه‌سازی عالی هستند؛ زیرا می‌توانند تعداد زیادی از راه‌حل‌های بالقوه را به سرعت به بخش‌های کوچک‌تر تجزیه کنند. برای مثال ایرباس از کامپیوتر‌های کوانتومی برای محاسبه به‌صرفه‌ترین مسیرهای صعود و فرود هواپیما استفاده می‌کند و فولکس واگن از سرویسی رونمایی کرده است که مسیرهای بهینه برای اتوبوس‌ها و تاکسی‌ها را در شهرها محاسبه می‌کند تا ازدحام را به حداقل برساند.

به‌طور کلی، چندین سال طول می‌کشد تا کامپیوترهای کوانتومی به پتانسیل کامل خود برسند. هم‌اکنون، دانشگاه‌ها و مشاغل که روی آن‌ها کار می‌کنند با کمبود محققان ماهر در این زمینه و کمبود تأمین‌کننده برخی از اجزای اصلی مواجه هستند. اما اگر این ماشین‌های محاسباتی عجیب‌وغریب به وعده‌های خود عمل کنند، می‌توانند کل صنایع را متحول و نوآوری جهانی را شکوفا کنند. این همان دلیلی است که بسیاری از دولت‌ها و شرکت‌های فناوری در تلاش برای دستیابی به برتری کوانتومی هستند.

محاسبات کوانتومی نویدبخش حل چالش‌های پیچیده در حوزه‌های مختلفی مانند شیمی، داروسازی و هوش مصنوعی است. IBM یکی از پیشگامان این حوزه، با معرفی پردازنده‌ی کوانتومی ۵ کیوبیتی IBM Q 5 Tenetife که از معماری ابررسانای پاپیونی بهره می‌برد، گام بزرگی در این مسیر برداشت. این شرکت با افزایش مداوم تعداد کیوبیت‌ها، در سال ۲۰۲۳ به رکورد ۱٬۰۲۱ کیوبیت با کامپیوتر کوانتومی Condor دست یافت. با این‌حال، هدف نهایی فراتر از افزایش تعداد کیوبیت‌ها است.

بهبود کیفیت کیوبیت‌ها، کاهش نویز و توسعه‌ی الگوریتم‌های کوانتومی کارآمد، از دیگر چالش‌های مهم در این حوزه هستند. رقابت شدید بین شرکت‌های مختلف برای توسعه کامپیوترهای کوانتومی قدرتمندتر، نویدبخش آینده‌ای روشن برای این فناوری است. کاربردهای بالقوه‌ی این فناوری بسیار گسترده است و می‌تواند سبب تحولات شگرفی در صنایع مختلف شود.