مجموعه ای از پیشرفت ها در محاسبات کوانتومی
یک کامپیوتر معمولی که امروزه از آن به عنوان یک کامپیوتر کلاسیک یا سنتی یاد می شود، بر اساس مفهوم اولیه 0 و 1 (صفر و یک) کار می کند. وقتی ما از کامپیوتر برای انجام یک کار برای ما، به عنوان مثال یک محاسبه ریاضی یا رزرو یک قرار یا هر چیز مربوط به زندگی روزمره، این کار در لحظه معین به رشته ای از 0 و 1 تبدیل می شود (یا ترجمه می شود) (که سپس به آن می گویند ورودی)، این ورودی توسط یک الگوریتم پردازش می شود (تعریف شده به عنوان مجموعه ای از قوانین که باید برای تکمیل یک کار در رایانه دنبال شوند). پس از این پردازش، رشته جدیدی از 0 و 1 برگردانده می‌شود (به نام خروجی)، و نتیجه مورد انتظار را رمزگذاری می‌کند و به اطلاعات کاربرپسند ساده‌تری به عنوان «پاسخ» به آنچه کاربر می‌خواست رایانه انجام دهد ترجمه می‌شود. . جالب است که مهم نیست که الگوریتم چقدر هوشمند یا هوشمندانه به نظر می رسد و سطح دشواری کار هر چه باشد، یک الگوریتم کامپیوتری فقط این یک کار را انجام می دهد - دستکاری رشته بیت ها - که در آن هر بیت 0 یا 1 است. دستکاری در کامپیوتر (در انتهای نرم افزار) اتفاق می افتد و در سطح ماشین این امر توسط مدارهای الکتریکی (در مادربرد کامپیوتر) نشان داده می شود. در اصطلاح سخت افزاری وقتی جریان از این مدارهای الکتریکی می گذرد، بسته است و وقتی جریانی وجود ندارد باز است.
کامپیوتر کلاسیک در مقابل کوانتومی
بنابراین، در رایانه‌های کلاسیک، بیت یک تکه اطلاعات است که می‌تواند در دو حالت ممکن وجود داشته باشد - 0 یا 1. با این حال، اگر در مورد کوانتوم کامپیوترها، آنها معمولاً از بیت های کوانتومی (که به آن کیوبیت نیز می گویند) استفاده می کنند. اینها سیستم های کوانتومی با دو حالت هستند، با این حال، بر خلاف بیت معمولی (ذخیره شده به صورت 0 یا 1)، کیوبیت ها می توانند اطلاعات بسیار بیشتری را ذخیره کنند و می توانند در هر فرضی از این مقادیر وجود داشته باشند. برای توضیح بهتر، یک کیوبیت را می توان به عنوان یک کره خیالی در نظر گرفت، جایی که کیوبیت می تواند هر نقطه ای از کره باشد. می توان گفت که محاسبات کوانتومی از توانایی ذرات زیراتمی استفاده می کند تا در هر زمان معین در بیش از یک حالت وجود داشته باشند و همچنان متقابل باشند. از سوی دیگر، یک بیت کلاسیک تنها می تواند در دو حالت باشد - به عنوان مثال در انتهای دو قطب کره. در زندگی معمولی، ما قادر به دیدن این "برهم نهی" نیستیم زیرا هنگامی که یک سیستم به طور کامل مشاهده می شود، این برهم نهی ها ناپدید می شوند و به همین دلیل است که درک چنین برهم نهی ها روشن نیست.
معنای این امر برای رایانه ها این است که رایانه های کوانتومی با استفاده از کیوبیت ها می توانند حجم عظیمی از اطلاعات را با انرژی کمتری نسبت به رایانه های کلاسیک ذخیره کنند و بنابراین عملیات یا محاسبات را می توان نسبتاً سریعتر در رایانه کوانتومی انجام داد. بنابراین، یک کامپیوتر کلاسیک می تواند 0 یا 1 بگیرد، دو بیت در این کامپیوتر می تواند در چهار حالت ممکن (00، 01، 10 یا 11) باشد، اما تنها یک حالت در هر زمان معین نشان داده می شود. از سوی دیگر، یک کامپیوتر کوانتومی با ذراتی کار می‌کند که می‌توانند در برهم نهی باشند و به دو کیوبیت اجازه می‌دهد تا دقیقاً همان چهار حالت را به طور همزمان نشان دهند، زیرا دارای خاصیت برهم نهی است که رایانه‌ها را از «محدودیت باینری» آزاد می‌کند. این می تواند معادل چهار کامپیوتر باشد که به طور همزمان کار می کنند و اگر این کیوبیت ها را اضافه کنیم، قدرت کامپیوتر کوانتومی به طور تصاعدی افزایش می یابد. کامپیوترهای کوانتومی همچنین از ویژگی دیگری از فیزیک کوانتومی به نام «درهم تنیدگی کوانتومی» که توسط آلبرت انیشتین تعریف شده است، بهره می‌برند، درهم تنیدگی خاصیتی است که به ذرات کوانتومی اجازه می‌دهد بدون توجه به مکانشان در زمین به هم متصل شده و ارتباط برقرار کنند. جهان به طوری که تغییر حالت یکی ممکن است فوراً بر دیگری تأثیر بگذارد. قابلیت‌های دوگانه "ابرجا" و "درهم تنیدگی" در اصل بسیار قدرتمند هستند. بنابراین، آنچه که یک کامپیوتر کوانتومی می تواند به دست آورد، در مقایسه با کامپیوترهای کلاسیک غیرقابل تصور است. همه اینها بسیار هیجان انگیز و ساده به نظر می رسد، با این حال، در این سناریو مشکلی وجود دارد. یک کامپیوتر کوانتومی، اگر کیوبیت ها (بیت های مفروض) را به عنوان ورودی خود بگیرد، خروجی آن نیز به طور مشابه در حالت کوانتومی خواهد بود، یعنی خروجی دارای بیت های بر هم قرار گرفته است که بسته به حالتی که در آن قرار دارد می تواند تغییر کند. واقعاً به ما این امکان را می دهد که همه اطلاعات را دریافت کنیم و بنابراین بزرگترین چالش در هنر محاسبات کوانتومی یافتن راه هایی برای به دست آوردن اطلاعات بیشتر از این خروجی کوانتومی است.
کامپیوتر کوانتومی اینجا خواهد بود!
رایانه‌های کوانتومی را می‌توان به عنوان ماشین‌های قدرتمند، بر اساس اصول مکانیک کوانتومی که رویکردی کاملاً جدید برای پردازش اطلاعات دارند، تعریف کرد. آنها به دنبال کشف قوانین پیچیده طبیعت هستند که همیشه وجود داشته اند اما معمولاً پنهان مانده اند. اگر بتوان چنین پدیده های طبیعی را کاوش کرد، محاسبات کوانتومی می تواند انواع جدیدی از الگوریتم ها را برای پردازش اطلاعات اجرا کند و این می تواند منجر به پیشرفت های نوآورانه در علم مواد، کشف دارو، رباتیک و هوش مصنوعی شود. ایده کامپیوتر کوانتومی توسط فیزیکدان نظری آمریکایی ریچارد فاینمن در سال 1982 ارائه شد. و امروزه شرکت های فناوری (مانند IBM، مایکروسافت، گوگل، اینتل) و موسسات دانشگاهی (مانند MIT و دانشگاه پرینستون) روی کوانتوم کار می کنند. نمونه های اولیه کامپیوتر برای ایجاد یک کامپیوتر کوانتومی جریان اصلی. International Business Machines Corp. (IBM) اخیراً گفته است که دانشمندان آن یک پلت فرم محاسباتی کوانتومی قدرتمند ساخته اند و می توان آن را برای دسترسی در دسترس قرار داد، اما خاطرنشان می کند که برای انجام بیشتر وظایف کافی نیست. آنها می گویند که یک نمونه اولیه 50 کیوبیتی که در حال حاضر در حال توسعه است می تواند بسیاری از مشکلاتی را که کامپیوترهای کلاسیک امروزی انجام می دهند را حل کند و در آینده کامپیوترهای 50-100 کیوبیتی تا حد زیادی این شکاف را پر خواهند کرد، یعنی یک کامپیوتر کوانتومی تنها با چند صد کیوبیت قادر به رفع آن خواهد بود. بیش از اتم های موجود در محاسبات به طور همزمان انجام دهد جهان. از نظر واقع بینانه، مسیری که یک کامپیوتر کوانتومی واقعاً می تواند در کارهای دشوار از یک کامپیوتر کلاسیک بهتر عمل کند، پر از مشکلات و چالش است. اخیراً اینتل اعلام کرده است که رایانه کوانتومی 49 کیوبیتی جدید این شرکت گامی به سوی این «برتری کوانتومی» است، که یک پیشرفت بزرگ برای شرکتی است که تنها 17 ماه پیش یک سیستم کیوبیت 2 بیتی را به نمایش گذاشته بود. اولویت آنها ادامه گسترش پروژه است، بر اساس این درک که افزایش تعداد کیوبیت ها کلید ایجاد رایانه های کوانتومی است که می توانند نتایج دنیای واقعی را ارائه دهند.
مواد کلیدی برای ساخت کامپیوتر کوانتومی هستند
سیلیکون مواد برای چندین دهه بخشی جدایی ناپذیر از محاسبات بوده است، زیرا مجموعه کلیدی از قابلیت‌های آن، آن را برای محاسبات عمومی (یا کلاسیک) مناسب می‌سازد. با این حال، تا آنجا که به محاسبات کوانتومی مربوط می شود، راه حل های مبتنی بر سیلیکون عمدتاً به دو دلیل مورد استفاده قرار نگرفته اند، اولاً کنترل کیوبیت های ساخته شده بر روی سیلیکون دشوار است، و دوم اینکه هنوز مشخص نیست که آیا کیوبیت های سیلیکونی می توانند به خوبی مقیاس شوند یا خیر. راه حل ها در یک پیشرفت بزرگ اینتل به تازگی توسعه داده است1 نوع جدیدی از کیوبیت معروف به "کوبیت اسپین" که بر روی سیلیکون معمولی تولید می شود. کیوبیت‌های اسپین شباهت زیادی به الکترونیک نیمه‌رسانا دارند و قدرت کوانتومی خود را با استفاده از اسپین یک الکترون روی یک دستگاه سیلیکونی و کنترل حرکت با پالس‌های ریز امواج مایکروویو ارائه می‌کنند. دو مزیت اصلی که منجر به حرکت اینتل به این سمت شد این است که اولاً اینتل به عنوان یک شرکت در حال حاضر سرمایه گذاری زیادی در صنعت سیلیکون کرده است و بنابراین تخصص مناسبی در سیلیکون دارد. ثانیاً، کیوبیت‌های سیلیکونی مفیدتر هستند زیرا از کیوبیت‌های معمولی کوچک‌تر هستند و انتظار می‌رود که برای مدت زمان طولانی‌تری انسجام خود را حفظ کنند. زمانی که سیستم‌های محاسباتی کوانتومی نیاز به بزرگ‌تر شدن دارند (به‌عنوان مثال از 100 کیوبیت به 200 کیوبیت) این امر اهمیت زیادی دارد. اینتل در حال آزمایش این نمونه اولیه است و این شرکت انتظار دارد تراشه‌هایی با هزاران آرایه کیوبیت کوچک تولید کند و چنین تولیدی زمانی که به صورت انبوه انجام شود می‌تواند برای افزایش مقیاس کامپیوترهای کوانتومی بسیار خوب باشد و می‌تواند یک تغییر دهنده واقعی بازی باشد.
در تحقیق اخیر منتشر شده در علمیک الگوی جدید طراحی شده برای کریستال های فوتونیک (یعنی طرح کریستالی که بر روی یک تراشه فوتونیک پیاده سازی شده است) توسط تیمی در دانشگاه مریلند ایالات متحده ایجاد شده است که به ادعای آنها رایانه های کوانتومی را در دسترس تر می کند.2. این فوتون ها کمترین مقدار نور شناخته شده هستند و این کریستال ها با سوراخ هایی فرو رفته اند که باعث تعامل نور می شود. الگوهای سوراخ های مختلف نحوه خم شدن و جهش نور از طریق کریستال را تغییر می دهند و در اینجا هزاران سوراخ مثلثی ایجاد شد. چنین استفاده‌ای از تک فوتون‌ها برای فرآیند ایجاد رایانه‌های کوانتومی مهم است، زیرا رایانه‌ها در این صورت توانایی محاسبه اعداد بزرگ و واکنش‌های شیمیایی را خواهند داشت که رایانه‌های فعلی قادر به انجام آن نیستند. طراحی تراشه این امکان را فراهم می کند که انتقال فوتون بین کامپیوترهای کوانتومی بدون تلفات انجام شود. این از دست دادن همچنین به عنوان یک چالش بزرگ برای کامپیوترهای کوانتومی در نظر گرفته شده است و بنابراین این تراشه به مشکل رسیدگی می کند و مسیر کارآمدی را امکان پذیر می کند. کوانتوم اطلاعات از یک سیستم به سیستم دیگر
آینده
کامپیوترهای کوانتومی قول می دهند که محاسبات را بسیار فراتر از هر ابرکامپیوتر معمولی انجام دهند. آنها پتانسیل ایجاد انقلابی در کشف مواد جدید را با ایجاد امکان شبیه سازی رفتار ماده تا سطح اتمی دارند. همچنین با پردازش سریعتر و کارآمدتر داده ها، امید به هوش مصنوعی و روباتیک ایجاد می کند. ارائه یک سیستم محاسبات کوانتومی قابل دوام تجاری می تواند توسط هر یک از سازمان های بزرگ در سال های آینده انجام شود زیرا این تحقیق هنوز هم پایانی ندارد و یک بازی منصفانه برای همه است. انتظار می‌رود در پنج تا هفت سال آینده اعلامیه‌های بزرگی ارائه شود و در حالت ایده‌آل با مجموعه‌ای از پیشرفت‌ها، مشکلات مهندسی باید حل شود و یک کامپیوتر کوانتومی 1 میلیون کیوبیت یا بیشتر باید به واقعیت تبدیل شود.
***
{شما می‌توانید مقاله پژوهشی اصلی را با کلیک بر روی پیوند DOI که در فهرست منابع ذکر شده در زیر آمده است بخوانید}
منبع (ها)
1. Castelvecchi D. 2018. سیلیکون در مسابقه محاسبات کوانتومی جایگاه خود را به دست می‌آورد. طبیعت. 553(7687). https://doi.org/10.1038/d41586-018-00213-3
2. Sabyasachi B. et al. 2018. یک رابط اپتیک کوانتومی توپولوژیکی. علوم پایه. 359(6376). https://doi.org/10.1126/science.aaq0327
