آیا ما تا به حال مقدار قدرت محاسباتی که ما نیاز داریم یا می خواهیم داشته باشیم؟ اگر طبق قانون مور، تعداد ترانزیستورهای یک ریزپردازنده در هر ۱۸ ماه ادامه داشته باشد، در سال ۲۰۲۰ یا ۲۰۳۰، مدارهایی را بر روی یک ریزپردازنده اندازه گیری خواهد کرد که در مقیاس اتمی اندازه گیری شده است. گام بعدی منطقی ایجاد رایانه های کوانتومی است که توان اتم ها و مولکول ها را برای انجام کارهای حافظه و پردازش به کار می گیرد. رایانه های کوانتومی توانایی انجام محاسبات خاص را به میزان قابل توجهی سریع تر از هر کامپیوتر مبتنی بر سیلیکون دارند.

دانشمندان قبلا رایانه های کوانتومی پایه ای ساخته اند که می توانند محاسبات خاصی انجام دهند؛ اما یک کامپیوتر کوانتومی عملی هنوز سالها دور است. در این مقاله، شما یاد خواهید گرفت که چه چیزی یک کامپیوتر کوانتومی است و فقط در دوران بعدی محاسبات، چه چیزی برای آن استفاده می شود.

شما لازم نیست که بیش از حد به عقب بر گردیم تا ریشه های محاسبات کوانتومی را پیدا کنید. در حالی که رایانه ها در اکثر قرن بیست و یکم قرار داشتند، محاسبات کوانتومی ابتدا کمتر از ۳۰ سال پیش توسط یک فیزیکدان در آزمایشگاه ملی Argonne تئوری شد. پل بنیوف نخستین تئوری کوانتومی را به کامپیوترها در سال ۱۹۸۱ داده است. بنیوف درباره ایجاد یک دستگاه تورین کوانتومی تئوری کرد. اکثر رایانه های دیجیتال، مانند رایانه ای که برای خواندن این مقاله استفاده می کنید، بر اساس نظریه تورینگ است. بدانید که این مطلب در بخش بعدی چیست؟

تعریف کامپیوتر کوانتومی

ماشین تورینگ که توسط آلن تورینگ در دهه ۱۹۳۰ ساخته شده است، یک دستگاه نظری است که شامل نوار نامحدود است که به مربع های کوچک تقسیم می شود. هر مربع می تواند یک نماد (۱ یا ۰) را نگه دارد یا خالی باشد. یک دستگاه خواندن و نوشتن این نمادها و سطوح را می خواند، که دستورالعمل های آن را برای انجام یک برنامه خاص به دستگاه می دهد. آیا این صدا آشناست؟ خوب، در یک دستگاه تورینگ کوانتومی، تفاوت این است که نوار در حالت کوانتومی وجود دارد، همانطور که سر و صورت خواندن و نوشتن وجود دارد. این به این معنی است که نمادها بر روی نوار می تواند ۰ یا ۱ باشد یا یک عنصر از ۰ و ۱ باشد. به عبارت دیگر علامت ها هم همزمان ۰ و ۱ (و هم همه نقاط در میان) هستند. در حالی که دستگاه تورینگ معمولی تنها می تواند یک محاسبه را در یک زمان انجام دهد، یک دستگاه تورینگ کوانتومی می تواند محاسبات زیادی را در یک زمان انجام دهد.

رایانه های امروز مانند ماشین تورینگ با دستکاری بیت هایی که در یکی از دو حالت وجود دارند کار می کنند: ۰ یا ۱٫ رایانه های کوانتومی به دو حالت محدود نمی شوند؛ آنها اطلاعات را به عنوان بیت های کوانتومی و یا کوبیدها که می توانند در حالت فوق قرار بگیرند، کد گذاری می کنند. Qubits نشان دهنده اتم ها، یون ها، فوتون ها یا الکترون ها و دستگاه های کنترل مربوطه می باشند که با یکدیگر کار می کنند تا به عنوان حافظه کامپیوتر و یک پردازنده عمل کنند. از آنجا که یک کامپیوتر کوانتومی می تواند به طور همزمان این حالت های چندگانه را داشته باشد، این پتانسیل می تواند میلیون ها بار قدرتمندتر از سوپر کامپیوترهای قدرتمند امروز باشد.

این توالی کوبیت ها چیزی است که رایانه های کوانتومی آنها را به هم پیوسته ذاتی خود می دهند. بر طبق فیزیکدان دیوید Deutsch، این همبستگی به یک کامپیوتر کوانتومی اجازه می دهد تا یک میلیون محاسبات را یک بار انجام دهد، در حالی که کامپیوتر روی کامپیوتر شما کار می کند. یک کامپیوتر کوانتومی ۳۰ کیلواتی توان پردازشی یک رایانه معمولی است که می تواند در ۱۰ teraflops (تریلیون ها عملیات نقطه شناور در ثانیه) انجام شود. رایانه های رومیزی معمولی امروزه در سرعت های اندازه گیری شده در gigaflops (میلیاردها عملیات نقطه شناور در ثانیه) اجرا می شوند.

رایانه های کوانتومی همچنین یکی دیگر از جنبه های مکانیک کوانتومی را که به عنوان پیچیدگی شناخته می شود، مورد استفاده قرار می دهند. یک مشکل با ایده رایانه های کوانتومی این است که اگر شما سعی در نگاه کردن به ذرات زیر اتمی دارید، می توانید آنها را بچرخانید و در نتیجه ارزش خود را تغییر دهید. اگر شما به مقدار کبیتی در مقیاس به منظور تعیین ارزش آن نگاه کنید، کوبیت مقدار ۰ یا ۱ را در نظر میگیرد، اما نه هر دو (به طور موثر کامپیوتر کوانتومی اسپوفی را به یک کامپیوتر دیجیتال تبدیل می کند). برای ایجاد یک کامپیوتر کوانتومی عملی، دانشمندان باید ابزاری برای اندازه گیری غیر مستقیم برای حفظ یکپارچگی سیستم طراحی کنند. دخالت پاسخ بالقوه را فراهم می کند. در فیزیک کوانتومی، اگر نیروی بیرونی را به دو اتم تقسیم کنید، می تواند آنها را درگیر کند، و اتم دوم می تواند خواص اتم اول را بگیرد. بنابراین اگر تنها باقی بماند، اتم در تمام جهات چرخش خواهد داشت. فورا آن را مختل می کند، یک چرخش یا یک مقدار را انتخاب می کند؛ و در عین حال، دومین اتم متصل به یک چرخش مخالف یا ارزش را انتخاب می کند. این به دانشمندان اجازه می دهد ارزش کوبیدها را بدون در نظر گرفتن آنها درک کنند.

بعد، ما به پیشرفت های اخیر در زمینه محاسبات کوانتومی نگاه خواهیم کرد.

کامپیوترهای کوانتومی امروزه

رایانه های کوانتومی یک روز می توانند تراشه های سیلیکون را جایگزین کنند، همانطور که ترانزیستور یک بار جایگزین لوله خلاء شده است. اما در حال حاضر، فن آوری مورد نیاز برای توسعه چنین کامپیوتری کوانتومی فراتر از دسترس ما است. بیشتر تحقیقات در محاسبات کوانتومی هنوز بسیار نظری است.

پیشرفته ترین کامپیوترهای کوانتومی بیش از ۱۶ کوبیت دستکاری نکردند، به این معنی که آنها از برنامه کاربردی بسیار دور هستند. با این حال، بالقوه باقی می ماند که رایانه های کوانتومی یک روزه می توانند به سرعت و به راحتی، محاسباتی را که در رایانه های معمولی بسیار ضروری هستند، انجام دهند. در چند سال گذشته، در محاسبات کوانتومی چندین پیشرفت کلیدی صورت گرفته است. بیایید به برخی از کامپیوترهای کوانتومی که توسعه یافته اند نگاه کنیم.
۱۹۹۸

محققان Los Alamos و MIT توانستند یک کوبیت واحد را در سه چرخش هسته ای در هر مولکول یک محلول مایع آلانین (یک اسید آمینه مورد استفاده برای تجزیه تجزیه حالت کوانتومی) یا ترشیلاواتیلن (یک کربن هیدروکربنی که برای اصلاح خطای کوانتومی استفاده می شود) گسترش دهد. گسترش کیبیت باعث شد که فاسد شود، به محققان اجازه داد تا از درگیری برای مطالعه تعاملات بین ایالتها به عنوان روش غیرمستقیم برای تجزیه و تحلیل اطلاعات کوانتومی استفاده کنند.
۲۰۰۰

در ماه مارس، دانشمندان آزمایشگاه ملی Los Alamos اعلام کردند که یک کوانتومی ۷ کیلواتی در یک قطره مایع ایجاد شده است. رایانه کوانتومی با استفاده از رزونانس مغناطیسی هسته ای (NMR) برای دستکاری در ذرات هسته اتم مولکول های اسید ترانس کرتونیک، یک مایع ساده متشکل از مولکول های ساخته شده از شش هیدروژن و چهار اتم کربن است. NMR برای اعمال پالس های الکترومغناطیسی استفاده می شود که ذرات را مجبور می کند تا خطوط را تشکیل دهند. این ذرات در مواضع موازی یا در برابر میدان مغناطیسی اجازه می دهد تا کامپیوتر کوانتومی رمزگذاری اطلاعات بیت در رایانه های دیجیتال را تقلید کند.

محققان مرکز تحقیقاتی IBM-Almaden آنچه که ادعا می کنند، پیشرفته ترین کامپیوتر کوانتومی در ماه اوت بوده است. رایانه کوانتومی ۵ کوبی به منظور اجازه دادن به هسته های پنج اتم فلورین به همکاری با یکدیگر به عنوان کوبیدها طراحی شده است، توسط پالس های فرکانس رادیویی برنامه ریزی شده و توسط دستگاه های NMR شبیه به آنهایی که در بیمارستان ها استفاده می شود (نگاه کنید به نحوه کارکرد تصویربرداری رزونانس مغناطیسی برای جزئیات). تیم آی بی ام توسط دکتر ایسا چوانگ رهبری می شد در یک مرحله یک مشکل ریاضی را حل کند که کامپیوتر های معمولی را تکرار می کرد. مشکل، به نام سفارش گیری، شامل پیدا کردن دوره یک تابع خاص، یک جنبه معمول بسیاری از مشکلات ریاضی درگیر در رمزنگاری.
۲۰۰۱

دانشمندان IBM و دانشگاه استنفورد با موفقیت الگوریتم شر را بر روی یک کامپیوتر کوانتومی نشان دادند. الگوریتم شر (Shor’s Algorithm) یک روش برای پیدا کردن عوامل نخستین اعداد است (که نقش اصلی در رمزنگاری دارد). آنها از یک کامپیوتر ۷ کییتی برای یافتن عوامل ۱۵ استفاده کردند. رایانه به درستی نتیجه گرفت که عوامل اولیه ۳ و ۵ بود.
۲۰۰۵

مؤسسه اپتیک کوانتومی و اطلاعات کوانتومی دانشگاه اینسبروک اعلام کرد که دانشمندان نخستین کوبیت یا مجموعه ای از ۸ کوبیت را با استفاده از تله های یونی ایجاد کرده اند.
۲۰۰۶

دانشمندان در واترلو و ماساچوست روش های کنترل کوانتومی را بر روی یک سیستم ۱۲ کیلویته طراحی کرده اند. کنترل کوانتومی پیچیده تر می شود زیرا سیستم ها بیشتر کوبیت ها را استخدام می کنند.
۲۰۰۷

شرکت راه انداز کانادا، D-Wave، یک کامپیوتر کوانتومی ۱۶ کیلواتی را نشان داد. کامپیوتر یک پازل سودوکو و سایر مشکلات مطابق الگو را حل کرد. این شرکت ادعا می کند که سیستم های عملی را تا سال ۲۰۰۸ تولید خواهد کرد. Skeptics معتقد است که کامپیوترهای کوانتومی کاربردی هنوز دهها سال است که سیستم D-Wave ایجاد کرده است مقیاس پذیر نیست و بسیاری از ادعاها در وب سایت D-Wave به سادگی غیر ممکن است یا حداقل برای دانش آموزان غیرممکن است که با درک ما از مکانیک کوانتومی بدانیم).

اگر رایانه های کوانتومی کارآمد بتوانند ساخته شوند، در مقیاس بزرگ تعداد ارزشمند هستند و بنابراین برای رمزگشایی و رمزگذاری اطلاعات مخفی بسیار مفید هستند. اگر امروز امروز ساخته شده باشد، هیچ اطلاعاتی در اینترنت نخواهد بود. روشهای فعلی رمزنگاری ما در مقایسه با روش های پیچیده موجود در رایانه های کوانتومی ساده هستند. رایانه های کوانتومی همچنین می توانند برای جست و جو در پایگاه های داده های بزرگ در یک لحظه از زمان استفاده از کامپیوتر معمولی استفاده کنند. برنامه های دیگر می توانند شامل استفاده از رایانه های کوانتومی برای مطالعه مکانیک کوانتوم یا حتی طراحی سایر کامپیوترهای کوانتومی باشند.

اما محاسبات کوانتومی هنوز در مراحل اولیه توسعه قرار دارد و بسیاری از دانشمندان کامپیوتر معتقدند که فناوری مورد نیاز برای ایجاد یک کامپیوتر کوانتومی عملی سالها است. رایانه های کوانتومی باید حداقل چندین ده کوییت داشته باشند تا قادر به حل مشکلات دنیای واقعی باشند و به این ترتیب به عنوان یک روش محاسباتی قابل قبول عمل کنند.