رایانه های کوانتومی

[Arman 512™]

​

میزان حجم عظیم قدرت پردازشی که رایانه‌های فعلی به کاربران و متخصصان ارائه می‌کند، هنوز هم عطش برای افزایش قدرت محاسبه این دستگاه‌ها را فرو ننشانده است. در سال 1947، هوارد آیکن مهندس امریکایی پیش‌بینی می‌کرد که تنها شش رایانه دیجیتالی می‌توانند نیازهای محاسباتی ایالات متحده را برآورده کنند. افراد دیگر نیز پیش‌بینی‌های مشابهی کردند غافل از اینکه دنیای وبی متولد خواهد شد که نیازهای محاسباتی را زیر و رو خواهد کرد. فارغ از اینکه اینتل یا تولیدکنندگان مشابه می‌توانند قانون مور را تا چند سال دیگر بی‌اعتبار کنند یا خیر، ریزپردازنده‌ها در هر 18 ماه یک بار دوبرابر می‌شوند و بر اساس این قانون تا سال 2020 یا بعد از آن اندازه‌گیری ریزپردازنده‌ها در ابعاد اتمی صورت خواهد گرفت. با توجه به این موضوع گام بعدی در تولید رایانه‌ها، کوانتومی شدن آنهاست، به این معنا که در آینده‌ای نزدیک از توانایی اتم‌ها و مولکول‌ها برای اجرای فرآیندهای پردازشی و ذخیره‌سازی استفاده خواهد شد. رایانه‌های کوانتومی برای انجام محاسبات به طور قابل توجهی سریع‌تر از هر نوع رایانه سیلیکونی کار می‌کنند. آیا اساسا تولید چنین رایانه‌هایی به طور عمده ممکن است یا اینکه باید آنها را در حد و اندازه‌های یک رویای فناوری به شمار آورد؟ باشگاه فناوری این هفته به این فناوری می‌پردازد. دانشمندان تاکنون توانسته‌اند رایانه‌های ساده کوانتومی را با قابلیت انجام محاسباتی خاص تولید کنند اما به نظر می‌رسد تولید انبوه این سیستم‌های کارا چند سالی طول بکشد. برای آگاهی از ریشه‌های محاسبات مبتنی بر کوانتوم نیازی نیست زیاد به عقب باز گردیم چرا که منشاء این سیستم‌ها به حدود 30 سال پیش و کارهای پل بنیف بازمی‌گردد. او فردی بود که برای اولین بار نظریه تولید یک رایانه کوانتومی را پیشنهاد داد.​

​

رایانه کوانتومی چیست ؟​

ماشین تورینگ که برای اولین بار در دهه 30 توسط آلن تورینگ توسعه داده شد، نظریه دستگاهی است که از بخش‌های کوچکی با محتوای صفر، یک و یا خالی تشکیل شده بود. تفاوت یک رایانه تورینگ کوانتومی با سیستم‌های قبلی این است که مقادیر می‌توانند صفر، یک و یا تلفیقی از این دو باشند؛ به تعبیری هر دو نماد صفر و یک در یک زمان. بر این اساس در حالی که یک ماشین تورینگ عادی می‌تواند در هر زمان یک محاسبه را انجام دهد، رایانه‌های کوانتومی می‌توانند چندین محاسبه را به شکلی همزمان انجام دهند. آنها به دو وضعیت محدود نیستند و کدگذاری اطلاعات را توسط بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت‌ها انجام می‌دهند. کیوبیت‌ها نمایانگر اتم، یون، الکترون و دستگاه‌هایی کنترلی هستند که تشکیل حافظه و مرکز پردازش قدرتمندی را می‌دهند. به لحاظ اینکه یک رایانه کوانتوم می‌تواند چندین وضعیت مختلف را همزمان در خود داشته باشد، قدرت و سرعت پردازشی بسیار زیادی در مقایسه با ابررایانه‌های فعلی دارد. برای مثال، قدرت پردازش یک رایانه کوانتومی 30 کیوبیتی با یک رایانه معمولی با توان 10 ترافلاپ برابری می‌کند. یکی از جنبه‌های علم فیزیک کوانتوم که رایانه‌های از این دست می‌توانند از آن استفاده کنند، «وابستگی کوانتومی» نام دارد. وابستگی کوانتومي بدان معناست که در صورتی که دو ذره ریز اتمی با یکدیگر بر هم کنش‌ داشته باشند، وضعیت آنها به هم وابسته خواهد شد.​

​

به طوری که اگر بتوان خواص یکی از آنها را اندازه گرفت، خواص ذره دیگر حتی با فاصله کهکشانی از اولی قابل اندازه‌گیری خواهد بود. به این ترتیب در فیزیک کوانتوم، در صورتی که یک نیروی خارجی به دو اتم وارد کنیم بین آنها وابستگی به وجود آورده‌ایم و بر اساس آن اتم دوم خواص اولی را به دست خواهد آورد. این موضوع به دانشمندان توانایی مشاهده ارزش کیوبیت‌های مختلف را خواهد داد.​

پیشرفت‌های حاصل‌شده و آینده​

به تازگی دو پیشرفت عمده در زمینه تولید رایانه‌های کوانتومی اتفاق افتاده است. در اولین مورد که گزارش آن را می‌توانید در مجله نیچر ببینید (bit.ly/IoKojs)، اعلام شده است تیمی از دانشمندان موفق به تولید اولین شبکه کوانتومی شده‌اند به طوری که در آن کیوبیت‌ها بین دو آزمایشگاه مختلف انتقال داده شده است. در گزارش دیگری که در مجله ساینس منتشر شده است (bit.ly/HBJWgP)، تیم دیگر موفق شده‌ بین دو کیوبیت وابستگی کوانتومی به وجود آورد. در مجموع مشخص کردن وضعیت فعلی دانش رایانه کوانتوم کمی گیج‌کننده است. البته در اینکه این رایانه‌ها در مقیاس‌های کوچک آزمایشگاهی با توانایی حل مسائل ساده ساخته شده‌اند هیچ شکی وجود ندارد. به علاوه بسیاری از محققان این حوزه بر این باورند که ایده تولید مدل‌هایی در مقیاس‌های بزرگ‌تر روی کاغذ عقلانی به نظر می‌رسد.


اسکات اندرسن یکی از پژوهشگران معتقد به این فناوری که در دانشگاه ماساچوست فعالیت می‌کند، اخیرا یک جایزه 100 هزار دلاری را برای فردی در نظر گرفته است که بتواند اثبات قانع‌کننده‌ای در عدم امکان تولید این رایانه‌ها ارائه دهد (scottaaronson.com/blog/?p=902). او به تازگی در مصاحبه‌ای که با بی‌بی‌سی داشته، گفته‌است:«اینکه اکثر مقاله‌های نوشته‌شده رسانه‌ای در این زمینه، تنها به پیشرفت‌های آزمایشگاهی کوچک اشاره می‌کنند، من را آزار می‌دهد.»


در مقابل این نظر بسیاری از دانشمندانی که اتفاقا به موضوع خوش‌بین هستند، اذعان دارند که این رایانه‌ها نمی‌توانند جایگزینی برای رایانه‌های فعلی شده و به شکل انبوه مورد استفاده قرار بگیرند. مارتین پلنیو مدیر موسسه فیزیک نظری دانشگاه اولم آلمان در این زمینه می‌گوید:«احتمالا هیچ ‌وقت نمی‌توانیم این سیستم‌ها را روی میز کار خود ببینیم. یک سیستم کوانتومی می‌تواند تمام کارهای سیستم‌های سنتی را به خوبی و با سرعتی قابل قبول انجام دهد اما از جهاتی اصلا برتری خاصی نسبت به نمونه‌های فعلی ندارد چرا که هیچ دلیلی برای استفاده از آن برای اجرای برنامه‌هایی مثل پردازشگر کلمه وجود نخواهد داشت.»​

​

در مجموع، اینکه رایانه‌های کوانتومی بتوانند وارد بازار مصرفی شوند مورد تایید اقلیت دانشمندان این حوزه است. به زعم بسیاری از محققان اگرچه این فناوری همواره از آغاز به کار خود ممکن تلقی می‌شده است، با این حال هم‌اکنون نمی‌توان آن را به معنای واقعی دست‌یافتنی به شمار آورد. پیش‌بینی اینکه در چند سال آینده بتوان توسط یک سیستم کوانتومی ایمیل خود را چک کرده یا پرندگان خشمگین را به هوا پرتاب کنیم، کار چندان معقولی نیست. با این همه ممکن است این ناشی از محدودیت تخیلات ما همانند پیش‌بینی هوارد آیکن (که در اول نوشته به آن اشاره شد) باشد. با همه اینها اگر قرار باشد سیستم‌های کوانتومی به خانه‌ها بیایند، حداقل به اندازه یک قرن باید صبر کنیم.​