کامپیوتر کوانتومی چیست؟

quantom pc2 1024x683 - کامپیوتر کوانتومی چیست؟

کامپیوتر کوانتومی چیست؟

در این مقاله شما را با خلاصه پدیده نوظهور کامپیوترهای کوانتومی آشنا می کنیم.

quantom pc 300x200 - کامپیوتر کوانتومی چیست؟

کامپیوتر کوانتومی با مهار پدیده های پیچیده مکانیک کوانتوم جهش های بزرگی را درجهت پردازش ایجاد می کند.پیش بینی می شود، ماشین های کوانتومی حتی از توانایی فوق العاده ابر رایانه های امروز و فردا نیز پیشی بگیرند.
اگرچه آنها رایانه های معمولی را کلا” از بین نخواهند برد(البته زیاد مطمئن نیستیم.)،با این حال استفاده از یک ماشین کلاسیک هنوز هم ساده ترین و مقرون به صرفه ترین راه حل برای حل مشکلات است. اما کامپیوتر های کوانتومی نوید بخش پیشرفت هیجان انگیز در زمینه های مختلف ، از علوم مواد گرفته تا تحقیقات دارویی هستند.
شرکت ها در حال  آزمایش آنها برای تولید مواردی مانند باتری های سبک تر و قدرتمندتر برای اتومبیل های برقی و کمک به ایجاد داروهای جدید هستند.
راز قدرت یک کامپیوتر کوانتومی در توانایی آن برای تولید و دستکاری بیت های کوانتوم یا کیوبیت نهفته است.

کیوبیت چیست؟

رایانه های امروزی از بیت ها استفاده می کنند – جریانی از پالس های الکتریکی یا نوری که نمایانگر ۱ ها یا ۰ ها هستند. همه چیز از توییت ها و ایمیل های شما گرفته تا آهنگ های iTunes و فیلم های YouTube شما رشته های طولانی این رقم های باینری است.bit qubit 2 300x131 - کامپیوتر کوانتومی چیست؟
از طرف دیگر ، کامپیوتر کوانتومی از کیوبیت ها استفاده می کند، که به طور معمول ذرات زیر اتمی مانند الکترون یا فوتون هستند. تولید و مدیریت کیوبیت ها یک چالش علمی و مهندسی است.
برخی از شرکت ها مانند IBM ، Google و Rigetti Computing از مدارهای ابررسانایی استفاده می کنند که در دمای سردتر از فضای عمیق خنک می شوند. برخی دیگر مانند IonQ ، اتمهای منفرد را در میدانهای الکترومغناطیسی روی تراشه سیلیکون در محفظه های فوق العاده زیاد خلا به دام می اندازند. در هر دو مورد ، هدف جداسازی کیوبیت ها در یک حالت کوانتومی کنترل شده است.
کیوبیت ها دارای برخی خصوصیات کوانتومی عجیب و غریب هستند که به این معنی است که گروه متصل از آنها می توانند قدرت پردازش بیشتری نسبت به همان تعداد بیت باینری داشته باشند. یکی از این خصوصیات به هم نهی یا  superposition معروف است و دیگری برهم تنیده یا entanglement گفته می شود.

superposition چیست؟

کیوبیت ها می توانند ترکیبات متعدد احتمالی ۱ و ۰ را همزمان نشان دهند. این توانایی حضور همزمان در چندین حالت را برهم نهی می نامند. محققان برای قرار دادن کیوبیت ها در سوپرپوزیشن ، آنها را با استفاده از لیزرهای دقیق یا پرتوهای مایکروویو دستکاری می کنند.

bits and qubits  final 300x201 - کامپیوتر کوانتومی چیست؟

با استفاده از این پدیده نامرعی ، یک کامپیوتر کوانتومی با چندین کیوبیت مکعب می تواند تعداد زیادی از نتایج بالقوه را به طور همزمان خرد کند. نتیجه نهایی محاسبه فقط پس از اندازه گیری کیوبیت ها ظاهر می شود ، که بلافاصله باعث “فروپاشی” حالت کوانتومی آنها به ۱ یا ۰ می شود.

در هم تنیدگی کوانتومی چیست؟

محققان می توانند جفت کیوبیت تولید کنند که “درهم تنیده” هستند ، به این معنی که دو عضو یک جفت در یک حالت کوانتومی واحد وجود دارند. تغییر حالت یکی از کیوبیت ها بلافاصله کیوبیت دیگری را به همان حالت تغییر می دهد تغییر می دهد، حتی اگر فاصله این دو کیوبیت از همدیگر بسیار زیاد باشد.
هیچ کس واقعاً نمی داند که درهم تنیدگی چگونه و چرا کار می کند. حتی این مسئله خود اینشتین را هم گیج کرد ، که  آن را “عملی شبح وار در فاصله” توصیف کرد. اما این کلید قدرت رایانه های کوانتومی است. در یک کامپیوتر معمولی ، دو برابر شدن بیت ها ، قدرت پردازش آن را دو برابر می کند. اما به لطف درهم تنیدگی ، افزودن کیوبیت اضافی به یک ماشین کوانتومی باعث افزایش نمایی توانایی خرد شدن تعداد آن می شود.quantumexplainer 04 300x300 - کامپیوتر کوانتومی چیست؟
این یک خبر خوب است ولی خبر بد این است که ماشین های کوانتومی به دلیل عدم انسجام نسبت به رایانه های کلاسیک مستعد خطا هستند.

عدم انسجام چیست؟

برهم کنش کیوبیت ها با محیط آنها به روش هایی که باعث از بین رفتن رفتار کوانتومی آنها شده و در نهایت از بین می روند ، تجزیه نامیده می شود. حالت کوانتومی آنها بسیار شکننده است. کوچکترین لرزش یا تغییر دما – اختلالات شناخته شده به عنوان “سر و صدا” در مکالمه کوانتومی – می تواند باعث شود که آنها قبل از اینکه کارشان به درستی انجام شود ، از هم سوا شوند. به همین دلیل محققان تمام تلاشهای خود را برای محافظت از کیوبیت ها از دنیای خارج در  یخچالهای فوق سرد و محفظه های خلا ء انجام می دهند.
اما با وجود تلاش آنها ، سر و صدا هنوز باعث می شود که خطاهای زیادی در محاسبات رخ دهد. الگوریتم های کوانتومی هوشمند می توانند برخی از اینها را جبران کنند و افزودن کیوبیت بیشتر نیز به شما کمک می کند. با این حال ، ایجاد یک کیوبیت واحد و بسیار قابل اعتماد ، معروف به کیوبیت “منطقی” ، به هزاران کیوبیت استاندارد نیاز دارد. و این خود مقدار زیادی از ظرفیت محاسباتی یک کامپیوتر کوانتومی را کاهش می دهد.
تاکنون محققان نتوانسته اند بیش از ۱۲۸ کیوبیت استاندارد تولید کنند. بنابراین ما هنوز سالها با دستیابی به  رایانه های کوانتومی که بسیار مفید باشد، فاصله داریم.

برتری کوانتومی چیست؟

این نقطه ای است که در آن یک کامپیوتر کوانتومی می تواند یک محاسبه ریاضی را انجام دهد که به وضوح حتی از قدرتمندترین ابر رایانه نیز فراتر است.quantom pc5 300x188 - کامپیوتر کوانتومی چیست؟
هنوز دقیقاً مشخص نیست که برای دستیابی به این هدف چه تعداد کیوبیت مورد نیاز است زیرا محققان مداوم الگوریتم های جدیدی را برای افزایش عملکرد ماشین های کلاسیک پیدا می کنند و سخت افزار های ابر رایانه ها نیز روز به روز بهتر می شود. اما محققان و شرکت ها برای ادعای این عنوان سخت تلاش می کنند و آزمایشاتی را علیه قدرتمندترین ابر رایانه های جهان انجام می دهند.
در دنیای پژوهش بحثهای زیادی درمورد چگونگی دستیابی به موفقیت مهم این مرحله وجود دارد. به جای انتظار برای اعلام برتری ، شرکت ها در حال شروع به آزمایش با رایانه های کوانتومی ساخته شده توسط شرکت هایی مانند IBM ، Rigetti و D-Wave  هستند. شرکت های چینی مانند Alibaba نیز دسترسی به ماشین های کوانتومی را ارائه می دهند. برخی از مشاغل در حال خرید رایانه های کوانتومی هستند ، در حالی که برخی دیگر از رایانه هایی استفاده می کنند که از طریق خدمات رایانش ابری در دسترس قرار گرفته اند.

کامپیوتر کوانتومی کجا بیشتر کاربرد دارد؟

یکی از امیدوار کننده ترین کاربردهای رایانه های کوانتومی شبیه سازی رفتار ماده تا سطح مولکولی است. تولیدکنندگان خودرو مانند فولکس واگن و دایملر از رایانه های کوانتومی برای شبیه سازی ترکیب شیمیایی باتری های وسایل نقلیه الکتریکی استفاده می کنند تا در یافتن راه های جدید برای بهبود عملکرد آنها کمک کنند. و شرکت های دارویی از آنها برای تجزیه و تحلیل و مقایسه ترکیباتی که می توانند منجر به ایجاد داروهای جدید شوند استفاده می کنند.
این ماشین ها همچنین برای مشکلات بهینه سازی عالی هستند زیرا می توانند تعداد زیادی از راه حل های بالقوه را خیلی سریع خرد کنند. به عنوان مثال ایرباس از آنها برای کمک به محاسبه کم مصرف ترین مسیرهای صعود و فرود هواپیماها استفاده می کند. و فولکس واگن از خدماتی رونمایی کرده است که مسیرهای بهینه اتوبوس ها و تاکسی ها را در شهرها محاسبه می کند تا ازدحام به حداقل برسد. برخی محققان همچنین فکر می کنند از این ماشین ها می توان برای تسریع در هوش مصنوعی استفاده کرد.

پاسخ دهید