آشنایی با کامپیوترهای کوانتومی و عملکرد حیرت‌انگیز آن‌ها

۱۳۹۷-۰۹-۲۹
کامپیوتر کوانتومی، واژه‌ای که این روزها اخبار زیادی از آن به گوش می‌رسد، کامپیوترهای کوانتومی نسل آینده‌ی پردازش‌های کامپیوتری هستند که می‌توانند دنیای فناوری اطلاعات را به‌ کلی دگرگون کنند، در این آموزش از همیار آی‌تی قصد داریم با زبانی ساده شما را با کامپیوترهای کوانتومی و نحوه‌ی عملکرد آن‌ها آشنا کنیم، برای اینکه به خوبی با مفهوم پردازش کوانتومی ...

کامپیوتر کوانتومی، واژه‌ای که این روزها اخبار زیادی از آن به گوش می‌رسد، کامپیوترهای کوانتومی نسل آینده‌ی پردازش‌های کامپیوتری هستند که می‌توانند دنیای فناوری اطلاعات را به‌ کلی دگرگون کنند، در این آموزش از همیار آی‌تی قصد داریم با زبانی ساده شما را با کامپیوترهای کوانتومی و نحوه‌ی عملکرد آن‌ها آشنا کنیم، برای اینکه به خوبی با مفهوم پردازش کوانتومی آشنا شوید و بدانید کامپیوتر کوانتومی چیست تا انتهای این آموزش با ما همراه باشید.

اما قبل از اینکه به سراغ نحوه کار کامپیوترهای کوانتومی برویم لازم است نگاهی به کامپیوترهای معمولی و نحوه‌ی کار آن‌ها بیندازیم.

همه‌ی ما می‌دانیم که پایه و اساس کار کامپیوترهای امروزی بیت‌های منطقی هستند، یعنی ۰ و ۱ که از کنار هم قرار گرفتن آن‌ها دستورات مختلف رایانه‌ای پدید آمده و پردازنده می‌تواند روی آن‌ها محاسبات مختلفی انجام دهد.

بیت‌ها معمولا به کمک میزان ولتاژ در مدارات مختلف نشان داده می‌شوند، به عنوان مثال ولتاژ ۰ نمایان‌گر بیت ۰ و ولتاژ ۵ نمایان‌گر بیت ۱ است (میزان ولتاژ‌ها فرضی بوده و می‌تواند در هر سخت‌افزار متفاوت باشد)

تصویر بالا را در نظر بگیرید، ما در این تصویر ۲ بایت مختلف داریم (هر ۸ بیت ۱ بایت را تشکیل می‌دهد) مجموعه‌ی سمت چپ (۱۰۱۰۱۱۰۰) نماینده‌ی عدد ۱۷۲ و مجموعه‌ی سمت راست (۱۱۱۰۱۱۰۰) نماینده‌ی عدد ۲۳۶ می‌باشد.

هرکدام از این اعداد با توجه به وضعیت سیستم می‌توانند به شکل متفاوتی تفسیر شوند، مثلا یک کارکتر در نرم‌افزار ورد، یک عدد در ماشین حساب، یک دستورالعمل در پردازنده، بخشی از یک موسیقی یا تصویر و…

نکته‌ی مهم در این بخش این است که تنها تغییر یکی از این بیت‌ها کافیست تا عدد تشکیل شده کاملا تغییر کند و در نتیجه مقدار نهایی این مجموعه‌ی بیت نیز متفاوت شود، همانطوری که در تصویر بالا نیز به خوبی مشخص است، تنها با تغییر یک بیت کل عدد به دست آمده متفاوت شد.

تغییر هر کدام از این بیت‌ها باعث تغییر سرنوشت کل مجموعه می‌شود، در کامپیوترهای معمولی هر بیت می‌تواند در لحظه تنها یک مقدار مشخص داشته باشد، یعنی هر بیت در لحظه می‌تواند ۰ باشد و یا ۱ (تنها یکی از این مقادیر)

وجه تمایز کامپیوترهای کوانتومی و کامپیوترهای معمولی دقیقا در همینجاست، شاید تعجب‌آور باشد، اما باید بدانید کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند در هر لحظه انواع حالات را داشته باشند، یعنی بیت‌های آن‌ها هم برابر با ۱ است و هم برابر با ۰ که آن‌را Qubit می‌نامند، می‌دانیم شاید کمی گیج شده باشید، برای همین اجازه دهید در ابتدا کمی بیشتر با مفهوم کوانتوم و فیزیک کوانتومی آشنا شویم.

ویژگی کوانتومی اشیا چیست؟

ویژگی کوانتومی بیان می‌کند، یک شی می‌تواند در لحظه چند شی باشد، یا در چندین حالت مختلف باشد!

فرض کنید سکه‌ای را به هوا پرتاب می‌کنید، سکه‌ی در حال چرخش هم می‌تواند شیر باشد و هم خط و تا وقتی به زمین نرسد به هیچ‌وجه نمی‌توانیم درباره‌ی وضعیت آن اظهار نظر کنیم، مثال بسیار معروفی در این زمینه وجود دارد به نام آزمایش گربه‌ی شرودینگر، در ادامه برای درک بهتر مفهوم فیزیک کوانتوم این مثال را بررسی می‌کنیم.

آزمایش گربه‌ی شرودینگر

آزمایش گربه‌ی شرودینگر، یک آزمایش فکری است که توسط اروین شرودینگر (فیزیکدان اتریشی) ابداع شد، این آزمایش به ما نشان می‌دهد هنگامی که قوانین کوانتومی در زندگی روزمره‌ی ما اعمال شوند چه اتفاقی می‌افتد، توصیف این آزمایش به شرح زیر است:

فرض کنید، گربه‌ای در یک جعبه قرار دارد و یک ظرف سم نیز در آن جعبه است، تا وقتی در جعبه بسته است ما هیچ پیشفرضی درباره سرنوشت گربه نداریم، ۵۰ درصد این احتمال وجود دارد که گربه مرده باشد یا به احتمال ۵۰ درصد زنده باشد (در دنیای کوانتوم مقدار دقیق این احتمال برابر با ۲√/۱ درصد است)

تا وقتی در جعبه را باز نکرده‌ایم نمی‌توانیم هیچ اظهار نظری در این‌باره کنیم، به بیان دیگر این گربه هم زنده است و هم مرده، تا اینکه در جعبه را باز کرده و آن‌را نگاه کنیم.

به طور کلی می‌توان گفت نظریه‌ی فیزیک کوانتومی اینطور بیان می‌کند که همه‌ی اشیا می‌توانند انواع حالات مختلف را در هر لحظه داشته باشند مگر اینکه به آن‌ها نگاه کنیم، اجسام تنها زمانی که به آن‌ها توجه می‌کنیم ویژگی‌های منطقی خود را می‌گیرند و تا قبل از آن هر شی می‌تواند هر چیزی باشد!

حال که کمی با مفهوم کوانتوم آشنا شدیم بهتر می‌توانید نحوه‌ی کار کامپیوترهای کوانتومی را درک کنید، هر بیت در این کامپیوترها می‌تواند در آن واحد مقداری برابر با ۰ و ۱ را به طور همزمان داشته باشد تا به آن نگاه کنید (نتیجه‌ی محاسبات را فراخوانی کنید) 

کامپیوتر کوانتومی چیست؟

همانطور که بالاتر گفتیم کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند در یک لحظه انواع حالات مختلف مسئله را در خود داشته باشند، مثالی که در ابتدای مقاله زدیم را به یاد دارید؟ بیت‌هایی که نمایان‌گر دو عدد مختلف بودند.

گفتیم در یک کامپیوتر معمولی در هر لحظه هر بیت تنها یک مقدار می‌پذیرد، بنابراین مقدار مجموعه‌ی بیتی برابر با ۱۷۲ یا ۲۳۶ است، اما در یک کامپیوتر کوانتومی مجموعه‌ی بیتی در هر لحظه برابر با تمام اعداد موجود در این بازه است و می‌تواند به طور همزمان هم برابر ۱۷۲ و هم برابر ۲۳۶ باشد!

محاسبه‌ای که در یک کامپیوتر معمولی به ۴.۵ ترابایت فضا برای پردازش نیاز دارد، در یک کامپیوتر کوانتومی تنها با ۵۶ کیوبیت فضا پردازش می‌شود!

کامپیوترهای کوانتومی به دلیل اینکه در لحظه تمام حالات پاسخ یک سوال را در خود دارند به میزان حافظه‌ی بسیار کمتری احتیاج دارند، چرا که در یک کامپیوتر معمولی چنین پردازش‌هایی ملزم اختصاص یک فضای جداگانه به هر راه‌حل است، در حالی که کامپیوتر کوانتومی تمام حالات پاسخ را به طور همزمان در کیوبیت‌های خود نگهداری می‌کند.

کامپیوترهای کوانتومی چگونه کار می‌کنند؟

طبق توضیحات بالا در می‌یابیم که یک کامپیوتر کوانتومی تمام راه‌حل‌های یک مسئله را در آن واحد درون کیوبیت‌های خود دارد، فقط کافیست مقدار این کیوبیت‌ها در لحظه‌ی درست خوانده شود تا به جواب مسئله برسیم.

برای اینکه بتوانیم کیوبیت‌های یک کامپیوتر کوانتومی را به وجود آوریم لازم است تا کامپیوتر در شرایط دمایی نزدیک به صفر مطلق نگهداری گردد تا بیت‌های سخت‌افزاری دارای خاصیت کوانتومی شوند.

بنابراین فعلا نمی‌توان کامپیوترهای کوانتومی را مانند کامپیوترهای معمولی در خانه و محل کار استفاده کرد، این کامپیوترها معمولا در شرایط آزمایشگاهی و با اهداف علمی و پژوهشی استفاده می‌شوند، هرچند هنوز کامپیوترهای کوانتومی خیلی قدرتمندتر از کامپیوترهای معمولی نیستند، اما این فناوری به سرعت در حال پیشرفت بوده و به زودی دنیای جدیدی به روی ما گشوده خواهد شد، در حال حاضر شرکت‌هایی مانند گوگل، IBM و مایکروسافت در حال کار روی پردازش کوانتومی هستند.

کاربردهای یک کامپیوتر کوانتومی

تقریبا می‌توان گفت هرآنچه قبلا قادر به محاسبه و مدل‌سازی آن نبودیم، هم‌اکنون به کمک رایانش کوانتومی امکان‌پذیر است! از مدل‌سازی ذرات اتم‌ها گرفته تا ملکول‌های مختلف، صنایع دارویی، غذایی و…

یکی از مهم‌ترین کاربردهای کامپیوترهای کوانتومی در مواردی است که با اتم‌ها و ملکول‌ها سر و کار داشته باشیم، این کامپیوترها در این زمینه به قدرت بلامنازع تبدیل خواهند شد و می‌توانند در آن واحد مدل‌های مختلف را شبیه‌سازی کرده و کمک‌های بسیار زیادی به علم پزشکی و داروسازی کنند.

پردازش‌های کوانتومی تا چه حد قابل اطمینان هستند؟

یکی از چالش‌هایی که در حال حاضر پیش‌روی رایانه‌های کوانتومی قرار دارد، مشکل عدم اطمینان به پاسخ آن‌هاست، ساز و کار تصحیح خطا در کامپیوترهای کلاسیک به این صورت است که معمولا بیت‌های اضافه‌ای برای بررسی خطای بیتی و در صورت نیاز تصحیح آن‌ها در نظر گرفته می‌شود، اما این ساز و کار در کامپیوترهای کوانتومی امروزی قابل اجرا نیست، چرا که برای افزودن بیت‌های تست خطا چیزی حدود ۲۰۰۰ کیوبیت مورد نیاز است، در حالی که در حال حاضر قوی‌ترین کامپیوترهای کوانتومی موجود چیزی در حدود ۱۰۰ کیوبیت در پردازنده‌های خود دارند!

هرچند دنیای آی‌تی و فناوری اطلاعات روز به روز در حال گسترش و پیشرفت است، اما فعلا یکی از چالش‌های پیش‌روی کامپیوترهای کوانتومی مسئله‌ی عدم اطمینان به نتایج حاصل از پردازش‌های آن‌هاست.

خطرات پردازش‌های کوانتومی

همانطور که گفتیم کامپیوترهای کوانتومی در یک لحظه تمام حالات یک مسئله را در خود دارند، حال فرض کنید از این قدرت برای شکستن رمزهای عبور و پروتکل‌های رمزنگاری استفاده شود، چراکه یک کامپیوتر کوانتومی در لحظه تمام رمزهای موجود را در خود دارد، تنها کافیست رمز صحیح در یک لحظه انتخاب شود!

به همین دلیل بسیاری از دولت‌ها در حال رقابت در این زمینه هستند، در حقیقت اولین کسی که بتواند به تکنولوژی رایانش کوانتومی دست پیدا کند قادر است تمام پسوردهای جهان را یافته و از هر قفلی عبور کند!

رمزنگاری حساب‌های کاربری، پروتکل‌های امنیتی شبکه، انتقال داده‌ها و… همه و همه با خطر رو به رو خواهند شد، البته مراکز امنیتی نیز بیکار ننشسته و در حال تلاش برای حل این مشکلات هستند، آن‌ها سعی می‌کنند سیستم رمزنگاری ایجاد کنند که بتواند در برابر کامپیوترهای کوانتومی مقاومت کند.

از سوی دیگر استفاده از قابلیت‌های کامپیوترهای کوانتومی در هوش مصنوعی قدرت پردازش و تحلیل خارق‌العاده‌ای در اختیار ربات‌ها قرار می‌دهد، احتمالا در آینده‌ای نه‌چندان دور شاهد به حقیقت پیوستن فیلم‌های علمی تخیلی خواهیم بود، دنیایی که در آن ربات‌های هوشمند با انسان همکاری می‌کنند یا شاید برعلیه انسان‌ها شورش کرده و ما را به عنوان برده‌های خود به‌کار می‌گیرند…

نظر شما در این‌باره چیست؟ آیا اطلاعات دیگری در خصوص کامپیوترهای کوانتومی دارید؟ مطمئنا دنیای پردازش‌های کوانتومی بسیار پیچیده و هیجان‌انگیز است، به‌طوری که نمی‌توان آن‌را در قالب یک مقاله بیان کرد، این پست با نظرات ارزشمند شما کامل‌تر خواهد شد پس دیدگاه‌ها و تجربیات خود را با ما و سایر کاربران به اشتراک بگذارید!