درباره کامپیوترهای کوانتومی به زبان ساده

حداقل چند سالی است که درباره کامپیوترهای کوانتومی می شنویم. اما این چیست؟ کامپیوتر کوانتومی برای چیست؟ امروز همه چیز در مورد آن در کلمات ساده است.

کوانتومی کامپیوتر اختراعی است که بسیاری از محققین امید زیادی به آن دارند و انتظار دارند که تأثیر مثبتی در توسعه علم داشته باشد. با این حال، درک چگونگی عملکرد فیزیک کوانتومی بسیار دشوار است. برخی از فیزیکدانان حتی تردید دارند که آیا «کامپیوترهای کوانتومی» کنونی باید به این نام خوانده شوند. بزرگترین مانع در استفاده از محاسبات کوانتومی تعداد زیاد خطاهایی است که حتی با کوچکترین تغییرات در محیط ماشین های کوانتومی تحت تأثیر قرار می گیرند. تا کنون، ما هنوز نتوانسته‌ایم از پتانسیل بیت‌های کوانتومی به طور کامل و رضایت‌بخش استفاده کنیم. امروز سعی خواهیم کرد تا دریابیم که این بیت های کوانتومی چه ویژگی خاصی دارند؟

آیا کامپیوترهای کوانتومی وجود دارند؟

ماهیت هر دانشمند واقعی اعتماد نکردن و بررسی دائمی است. در دوران دانشجویی دقیقاً یاد این کلمات افتادم. و بیش از یک بار از صحت این عبارت مطمئن شد. این همچنین در مورد "رایانه های کوانتومی" صدق می کند. چرا اسم این کامپیوترها را نقل کردم؟ بیایید دریابیم.

کامپیوترهای کوانتومی موضوع بسیار پیچیده ای هستند، اما من سعی خواهم کرد تا حد امکان آن را ساده کنم و در مورد آنها به روشی قابل دسترس صحبت کنم. حتی امروزه، دانشمندان، فیزیکدانان و مهندسان می توانند در مورد این سوال به ظاهر ساده بحث کنند که آیا یک کامپیوتر کوانتومی کار در جایی در جهان وجود دارد یا خیر. ممکن است کسی بگوید: «اما بالاخره چگونه شرکت‌هایی مانند IBM درباره رایانه‌های کوانتومی لاف می‌زنند!» و حق با او خواهد بود. این یک سوال باز باقی می ماند که آیا IBM واقعا یک کامپیوتر کوانتومی ایجاد کرده است یا دستگاه خود را به سادگی "کامپیوتر کوانتومی" نامیده است.

وقتی یکی از دوستانم از من می خواهد که با کلمات ساده توضیح دهم که کامپیوترهای کوانتومی با کامپیوترهایی که به آنها عادت کرده ایم چه تفاوتی دارند، من معمولا از یک مقایسه ساده استفاده می کنم. اگر کامپیوترهای کلاسیک ما (مانند کامپیوتر, لپ تاپ و گوشی های هوشمند) شمع هستند، سپس کامپیوترهای کوانتومی لامپ هستند. هدف هر دو یکسان است - برای لامپ های رشته ای و شمع ها، انتشار نور است و برای رایانه ها، برای محاسبات. با این حال، در هر دو مورد، هدف کاملاً متفاوت است و نتیجه متفاوت است. به زبان ساده، یک کامپیوتر کوانتومی فقط یک نسخه بهبود یافته از کامپیوترهای مدرن نیست، درست مانند یک لامپ فقط یک شمع بزرگتر نیست. شما نمی توانید با بهتر و بهتر ساختن شمع ها یک لامپ بسازید. لامپ متفاوت است فن آوری، بر اساس درک علمی عمیق تر. به همین ترتیب، کامپیوتر کوانتومی نوع جدیدی از دستگاه مبتنی بر فیزیک کوانتومی است و همانطور که لامپ جامعه را تغییر داد، رایانه‌های کوانتومی نیز می‌توانند بر بسیاری از جنبه‌های زندگی ما از جمله نیازهای امنیتی، مراقبت‌های بهداشتی و حتی اینترنت تأثیر بگذارند.

بنابراین، اگر به مقایسه رایانه‌ها با لامپ‌ها پایبند باشیم، «ژوزف سوان کوانتومی» (خلق اولین لامپ رشته‌ای کاربردی) هنوز ظاهر نشده است و تاکنون علم در تلاش است تا به عبارتی ساده بسازد. "چیزی قرمز و داغ" با بررسی اینکه چقدر می درخشد. ما برخی از مبانی نظری نحوه کار کامپیوترهای کوانتومی را می دانیم، اما موانع بزرگی بر سر راه توسعه آنها وجود دارد که هنوز در انتظار رفع شدن هستند.

مراکز تحقیقاتی و شرکت‌ها در سرتاسر جهان در حال انجام آزمایش‌ها و تحقیقات بیشتر هستند و کارشناسان در زمینه فیزیک کوانتومی موافقند که ایجاد ماشین‌های کوانتومی با عملکرد کامل که بتوانیم از آنها برای دستیابی به اهدافی استفاده کنیم که دستیابی به آنها در این مرحله غیرممکن است، به وضوح از ده‌ها نفر عبور خواهد کرد. سالها

من معتقدم و بسیاری از دانشمندان با من هم عقیده خواهند بود که ماشین هایی که در حال حاضر کامپیوترهای کوانتومی نامیده می شوند به هیچ وجه شایسته چنین نامی نیستند. آنها توانایی انجام محاسبات یا حل مسائلی را ندارند که ما نمی توانیم آنها را به روش معمولی و کلاسیک حل کنیم.

ما هنوز به چنان درجه ای از توسعه فناوری خود نرسیده ایم که بتوانیم یک ماشین کوانتومی بسازیم که مشکلاتی را که در حال حاضر برای رایانه های کلاسیک غیرقابل دسترس هستند، حل کند. البته، گوگل یا آی‌بی‌ام در مورد برخی از محاسبات انجام‌شده صحبت می‌کنند که انجام آن‌ها به روش کلاسیک دشوار است، اما در حال حاضر قانع‌کننده نیستند.

همچنین بخوانید: چین نیز مشتاق کشف فضا است. پس حالشون چطوره؟

کوانتوم چیست؟

به هر حال "کوانتوم" چیست؟ این یک جسم فیزیکی نیست. اصطلاح "کوانتوم" در فیزیک برای توصیف کوچکترین کسری ممکن از چیزی استفاده می شود. بنابراین شما می توانید یک «کوانتوم نیرو»، «کوانتوم زمان» یا «کوانتوم ذره» داشته باشید. در ادامه این مسیر، به اصطلاحاتی مانند «فیزیک کوانتومی» و «مکانیک کوانتومی» خواهیم رسید، یعنی شاخه‌هایی از علم که با کوچک‌ترین برهم‌کنش‌ها یا سیستم‌های ممکن – در سطح اتم‌ها و حتی کوارک‌های منفرد – سروکار دارند.

و اکنون به کیوبیت (بیت کوانتومی) یعنی «کوچکترین و تقسیم ناپذیرترین واحد اطلاعات کوانتومی» رسیده ایم. در همان زمان، به اولین نکته نیز می رسیم، که به ما در مورد شباهت ها و تفاوت های نحوه انجام محاسبات کامپیوترهای کلاسیک (با استفاده از بیت ها) و کامپیوترهای کوانتومی (با استفاده از کیوبیت) می گوید.

در کامپیوترهای کلاسیک، هر قطعه از اطلاعات به صورت دنباله ای از یک و صفر ذخیره می شود. چنین اطلاعاتی توسط رایانه، کنسول، گوشی هوشمند، درک و تفسیر می شود. ساعت هوشمند و تلویزیون هوشمند، مشابه عملیاتی که روی این اطلاعات انجام می شود. چه به عکس های تعطیلات نگاه کنیم، چه با دوستان چت کنیم، آخرین بازی را انجام دهیم یا محاسبات رمزنگاری پیشرفته را انجام دهیم، همه چیز در یک سیستم باینری اتفاق می افتد که در آن 0 یا 1 وجود دارد و هیچ چیز دیگری وجود ندارد. در واقع، بیشتر شبیه یک بله یا نه کلاسیک است.

این که این سیستم چقدر ناکارآمد است را وقتی می توان دید که به محدودیت های آن برسیم. و چه فضای گوشی‌های هوشمندمان برای یک سلفی دیگر تمام شود یا دانشمندان در حال تلاش برای ایجاد مدل‌های ریاضی از توسعه یک بیماری همه‌گیر باشند، مشکل اینجاست که صفر و یک‌های زیادی وجود دارد و منابع ذخیره آنها و قدرت محاسبه آنها در دسترس نیست.

کیوبیت این مشکل را حل می کند. این بخش از اطلاعات از ویژگی‌های فیزیک کوانتومی استفاده می‌کند که به آن اجازه می‌دهد به اصطلاح در یک برهم نهی باقی بماند. یک کیوبیت می تواند هر مقداری بین 0 و 1 داشته باشد. دارای ویژگی های کل طیف است و می تواند مقادیری مانند 15 درصد صفر و 85 درصد یک داشته باشد. از نظر تئوری، این به شما امکان می دهد اطلاعات بسیار بیشتری را ذخیره کنید یا محاسبات را افزایش دهید. اما در عین حال، مشکلات زیادی به وجود می آید که کنترل و حتی درک آنها دشوار است.

یکی دیگر از ویژگی‌های رایانه‌های کوانتومی که امکان مقیاس‌گذاری بیشتر قدرت محاسباتی را فراهم می‌کند، استفاده از درهم تنیدگی کوانتومی است. این حالتی است که در آن دو کیوبیت به یکدیگر متصل هستند و هر بار که یکی از آنها را مشاهده می کنیم، دیگری دقیقاً در همان حالت قرار می گیرد. درهم تنیدگی به کیوبیت ها اجازه می دهد تا در واحدهای حتی کارآمدتر برای ضبط و پردازش اطلاعات گروه بندی شوند.

همچنین بخوانید: بیوهکرها چه کسانی هستند و چرا به طور داوطلبانه خود را چیپ می کنند؟

تجهیزات کوانتومی

یک کامپیوتر کوانتومی از سه بخش اصلی تشکیل شده است: ناحیه ای برای ذخیره کیوبیت ها، روشی برای انتقال سیگنال به کیوبیت ها، و کامپیوتر کلاسیک برای اجرای برنامه و ارسال دستورالعمل.

ماده کوانتومی که کیوبیت ها را تشکیل می دهد، ظریف و بسیار حساس به تأثیرات محیطی است. برای برخی از روش‌های ذخیره کیوبیت، واحدی که کیوبیت‌ها را در خود جای می‌دهد در دمای نزدیک به صفر مطلق نگه داشته می‌شود تا انسجام آنها به حداکثر برسد. سایر انواع ذخیره سازی کیوبیت از یک محفظه خلاء برای به حداقل رساندن لرزش و تثبیت کیوبیت ها استفاده می کنند.

روش های مختلفی برای انتقال سیگنال به کیوبیت ها وجود دارد، مانند امواج مایکروویو، لیزر و ولتاژ الکتریکی.

برای برقراری عملکرد عادی کامپیوترهای کوانتومی، حل بسیاری از مشکلات ضروری است. مشکل اصلی رایانه‌های کوانتومی تصحیح خطا است و مقیاس‌بندی (افزودن کیوبیت‌های بیشتر) فرکانس آنها را بیشتر می‌کند. به دلیل این محدودیت ها، رایانه شخصی کوانتومی روی میز شما هنوز آینده ای دور است، اما رایانه های کوانتومی تجاری ممکن است در آینده نزدیک در دسترس قرار گیرند. بیایید در مورد این با جزئیات بیشتر صحبت کنیم.

مشکلات کامپیوترهای کوانتومی

با این حال، کامپیوترهای کوانتومی یک مشکل بزرگ دارند. به این معنا که دانشمندان با استفاده از آنها مشکل بزرگی دارند، زیرا کیوبیت ها به دلیل ویژگی های خاص خود به محیطی به اندازه کافی آرام نیاز دارند تا بتوانند به طور دقیق هر داده ای را از آنها بخوانند. هر، حتی کوچکترین تخلف، خواندن دقیق اطلاعات را غیرممکن می کند.

در مورد کامپیوترهای کلاسیک نیز مشکل مشابهی در گذشته نقش مهمی ایفا می کرد، اما امروزه آنقدر ناچیز است که اغلب حتی در علوم آکادمیک نیز نادیده گرفته می شود. ما در مورد میزان خطا صحبت می کنیم. این شاخصی است که تعیین می کند چه نسبتی از بیت ها یا کیوبیت های اطلاعات می تواند خراب شود. این ممکن است، برای مثال، در زمان اضافه ولتاژ یا اختلالات دیگر اتفاق بیفتد.

برای دستگاه های کلاسیک، احتمال خطا تقریباً یک به است 10¹⁷ بیت در مورد کامپیوترهای کوانتومی، این هنوز یکی از صدها عدد است. و این در شرایطی است که کامپیوترهای کوانتومی در ایزوله ترین شرایط و در دمای -272 درجه سانتیگراد، یعنی کمی بالاتر از صفر مطلق کار می کنند. هر گونه نوسانات دما، تغییر در میدان الکترومغناطیسی و حتی حرکت، کل محاسبات را از بین می برد.

مشکل دیگر «ناپایداری» حالات کوانتومی است. هر بار که ما یک حالت کوانتومی را اندازه‌گیری می‌کنیم یا می‌خواهیم اختلال ایجاد کنیم، به یکی از دو موقعیت صفر و یک برمی‌گردد. در این حالت حالت کوانتومی تحلیل می‌رود. این فرآیند را دهمدوسی کوانتومی می نامند.

به این موضوع فکر کنید: یک کامپیوتر کوانتومی یک ریاضیدان ماهر است که محاسبات پیچیده ای را انجام می دهد و نتایج آن بین 0 تا 1 میلیون است. ما به نوبه خود کودکی هستیم که فقط می‌دانیم چیزی می‌تواند خیلی زیاد یا خیلی کم باشد. هر زمان که یک ریاضیدان ممکن است نتایج متفاوتی داشته باشد، مانند 356 یا 670,23، با توجه به درک ما از جهان، هر یک از این نتایج به عنوان چند (1) یا بسیاری (846) طبقه بندی می شود، بدون اینکه تفاوت خاصی بین این دو تعریف شود. این ناهمدوسی کوانتومی است. تنها راه برای محاسبه صحیح این است که کار ریاضی را قبل از اتمام آن تضمین کنید.

همچنین بخوانید: پشتکار و نبوغ در مریخ چه خواهد کرد؟

از کامپیوترهای کوانتومی برای چه استفاده خواهیم کرد؟

امروزه این سوال مطرح می شود که کامپیوترهای کوانتومی مانند 20 سال پیش برای چه کاری می توان از یک گوشی هوشمند استفاده کرد. البته، در حال حاضر برخی از برنامه ها و فرضیات وجود دارد، اما جالب ترین دستورالعمل ها برای استفاده از کیوبیت ها احتمالاً زمانی مشخص خواهد شد که رایانه های کوانتومی گسترده شوند.

رمزنگاری یکی از محبوب ترین زمینه هایی است که در آن محاسبات کوانتومی بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد. موضوع این است که این روشی برای انتقال اطلاعات به روشی بسیار ایمن خواهد بود و امنیت مبتنی بر پیچیدگی فرآیندهای محاسباتی نیست، بلکه بر اساس قوانین فیزیک است که به شما اطمینان می دهد که برخی چیزها به سادگی غیرممکن هستند. و در این لحظه شنیدن، جاسوسی، هک غیرممکن خواهد بود.

امنیت در این مورد توسط ویژگی‌های فیزیکی کیوبیت‌ها تضمین می‌شود، که همانطور که قبلاً توضیح دادم، به محض مشاهده ویژگی‌های برهم نهی نشان نمی‌دهند. بنابراین هرگونه تلاش برای رهگیری یا حتی کپی کردن پیام رمزگذاری شده به سادگی آن را از بین می برد.

کامپیوترهای کوانتومی همچنین ممکن است به ما امکان درک بهتر فرآیندهای طبیعی را بدهند. "آشوب" برهم نهی، به عنوان مثال، جهش در DNA، و در نتیجه توسعه بیماری و تکامل را بسیار بهتر منعکس می کند. امروزه از محاسبات کوانتومی برای تولید داروهای جدید استفاده می شود.

شاید منطقی باشد که در مورد استفاده از کامپیوترهای کوانتومی برای انتقال داده از راه دور صحبت کنیم. بله، دقیقاً انتقال اطلاعات از راه دور، و احتمالاً یک شخص. ما قادر خواهیم بود اطلاعات را بدون انتقال فیزیکی از مکانی به مکان دیگر انتقال دهیم. به نظر می رسد فانتزی است، اما ممکن است، زیرا این سیالیت ذرات کوانتومی می تواند در زمان و مکان در هم پیچیده شود، به طوری که تغییر در یک ذره می تواند بر ذره دیگر تأثیر بگذارد و این یک کانال برای انتقال از راه دور ایجاد می کند. این قبلاً در آزمایشگاه ها نشان داده شده است و می تواند بخشی از اینترنت کوانتومی آینده باشد. ما هنوز چنین شبکه ای نداریم، اما برخی از دانشمندان در حال حاضر روی این احتمالات کار می کنند و یک شبکه کوانتومی را روی یک کامپیوتر کوانتومی شبیه سازی می کنند. آنها قبلاً پروتکل های جدید جالبی مانند انتقال از راه دور بین کاربران شبکه و انتقال کارآمد داده ها و حتی رای گیری ایمن را توسعه و پیاده سازی کرده اند.

همچنین باید گفت که باید از کامپیوترهای کوانتومی برای شبیه سازی موقعیت های مختلف و یافتن راه حل برای مشکلات از جمله دارو و واکسن استفاده کرد. به عنوان مثال، در طول همه‌گیری‌هایی مانند ویروس کرونا، زمانی که محاسبه و محاسبه سریع‌تر گزینه‌ها مورد نیاز است. در اینجا می توانید از امکان مدل سازی کوانتومی استفاده کنید که در کامپیوتر کلاسیک قابل انجام نیست. هنگامی که یک بیماری جدید ظاهر می شود، روند یافتن درمان حدود 15 سال طول می کشد و می تواند تا 2,6 میلیارد دلار هزینه داشته باشد. در برخی بیماری‌ها، لازم است میلیون‌ها مولکول را فیلتر کرد تا تنها صدها فرد امیدوارکننده که احتمالاً اهداکننده هستند شناسایی شوند. سپس، در طول آزمایش، تقریباً 99٪ از مولکول‌ها به دلیل پیش‌بینی نادرست رفتار و محدودیت‌های نمونه‌برداری، از بین می‌روند. اینجاست که کامپیوترهای کوانتومی به میدان می آیند.

و اینها هنوز تنها تعداد کمی از ایده های شگفت انگیز در مورد آنچه که می توان با استفاده از فیزیک کوانتوم به دست آورد است. در حال حاضر، ما تا حدودی موفق می شویم شخصیت دمدمی مزاج او را رام کنیم، اما همه پیشرفت ها هنوز در سطح اولیه هستند. ایجاد یک کامپیوتر کوانتومی واقعی و کاربرد انبوه آن هنوز بسیار دور است، اما پیشرفت هنوز متوقف نشده است. بنابراین، شاید حدود ده سال دیگر این مقاله را با کمک یک کامپیوتر کوانتومی بخوانید و متممانه لبخند بزنید.

همچنین بخوانید:

• مریخ در تماس است! درباره پیچیدگی های ارتباطات فضایی
• چه چیزی می تواند ما را از استعمار مریخ باز دارد؟