شما ممکن است درباره کامپیوتر کوانتومی شنیده باشید. این ماشین ها جادویی هستند که به زودی با آزمایش تمام پاسخ های ممکن در قسمت های مختلف، سرطان و گرمایش زمین را درمان می کنند. کامپیوترهای کوانتومی در طول این سال ها افزایش یافته است، زیرا شرکت ها و دولت ها میلیاردها سرمایه گذاری کرده اند و با پیشرفت فناوری به دستگاه های 50 کیلوبیت قابل برنامه ریزی که در معیارهای معین تدوین شده واقعاً می توانند ارائه دهند. بزرگترین ابر رایانه های جهان به دنبال پول خود هستند و درست مانند ارزهای رمز نگاری شده ، یادگیری ماشینی و دیگر زمینه های شیک ، پول نیز به دنبال آن است.
برای ادامه مطالب و شناخت کامپیوتر کوانتومی با کاملیما همراه باشید.
تاریخچه کامپیوترهای کوانتومی
واقعیت این است که حتی اگر همه انگیزه های بد و حرص و طمع را حذف کنید، محاسبه کامپیوتر کوانتومی همچنان دشوار است که به طور خلاصه و صادقانه بدون ریاضی توضیح دهید. همانطور که ریچارد فاینمن، پیشگام محاسبات کامپیوتر کوانتومی در مورد کار الکترو دینامیک کوانتومی که جایزه نوبل را برای او به ارمغان آورد ، گفت ، اگر می توان آن را در چند جمله توصیف کرد ، ارزش یک جایزه نوبل را نداشت.
از زمانی که پیتر شور در سال 1994 کشف کرد که یک کامپیوتر کوانتومی می تواند بیشتر رمزگذاری را که از تراکنش های اینترنتی محافظت می کند ، خراب کند ، هیجان در مورد این فناوری بیش از کنجکاوی فکری ایجاد شده است. در واقع، تحولات در این زمینه معمولاً به عنوان داستان های تجاری یا فناوری پوشش داده می شوند.
بله ، آنها ممکن است روزی چند مشکل خاص را حل کنند که در رایانه های کلاسیک بیشتر از عصر جهان طول می کشد. اما بسیاری از مشکلات مهم دیگر نیز وجود دارد که اکثر کارشناسان فکر می کنند کامپیوتر کوانتومی به طور متوسط به آنها کمک می کند. همچنین، در حالی که گوگل و دیگران اخیراً ادعاهای موقتی مبنی بر دستیابی به سرعت های کوانتومی دستکاری شده مطرح کردند، این فقط برای معیارهای خاص و باطنی بود. یک کامپیوتر کوانتومی که به اندازه کافی بزرگ و قابل اعتماد است تا در برنامه های کاربردی عملی مانند شکستن کدهای رمزنگاری و شبیه سازی شیمی ، از رایانه های کلاسیک بهتر عمل کند ، احتمالاً هنوز فاصله زیادی دارد.
کامپیوتر های کوانتومی برای برنامه ریزی سریع تر
اما چگونه می توان یک کامپیوتر قابل برنامه ریزی را تنها برای برخی مشکلات سریع تر ساخت؟ آیا می دانیم کدامیک از کامپیوتر های کوانتومی برای برنامه ریزی های سریع تر بکار میرود؟ برای پاسخ به این سوالات باید وارد مسائل عمیق شویم.
بیایید با مکانیک کوانتومی شروع کنیم. به کار بردن مفهوم برهم نهی در کلمات روزمره بسیار دشوار است. بنابراین شگفت آور نیست که بسیاری از نویسندگان راه آسان را انتخاب می کنند. آنها می گویند که برهم نهی به معنای” هر دو در یک زمان” است، بنابراین یک بیت کامپیوتر کوانتومی یا کیوبیت مقدار کمی است که می تواند همزمان 0 و 1 باشد در حالی که یک بیت کلاسیک می تواند تنها یکی یا دیگری باشد.
آنها ادامه می دهند که یک کامپیوتر کوانتومی با استفاده از کیوبیت به سرعت خود می رسد تا همه راه حل های ممکن را در ترکیب فوق – یعنی همزمان یا موازی – امتحان کند.
این همان چیزی است که می توان به عنوان اشتباه اساسی در محبوبیت محاسبات کامپیوتر کوانتومی در نظر گرفت. آن چیزی که منجر به بقیه مشکلات می شود. از اینجا فقط یک راه کوتاه است تا کامپیوتر کوانتومی به سرعت با امتحان همه پاسخ های ممکن، چیزی مانند مشکل فروشنده مسافر را حل کنند. ان دقیقا همان کاری است که تقریباً همه کارشناسان معتقدند قادر به انجام آن نیستند.
ترکیب رایانه کوانتمی چیست؟
نکته این است که برای مفید بودن رایانه، در مقطعی باید به آن نگاه کنید و خروجی را بخوانید. اما اگر به ترکیب فوق العاده ای از همه پاسخ های ممکن نگاه کنید، قوانین مکانیک کوانتومی می گوید که شما فقط یک پاسخ تصادفی را خواهید دید و می خوانید. و اگر این تنها چیزی بود که می خواستید ، می توانستید خودتان یکی را انتخاب کنید.
منظور از ترکیب فوق “ترکیب خطی پیچیده” است. در اینجا منظور ما از”پیچیده” معنای واقعی به علاوه یک عدد خیالی است، در حالی که “ترکیب خطی” به این معناست که چند ضرب مختلف حالات را با هم جمع می کنیم. بنابراین کیوبیت بیتی است که دارای یک عدد مختلط به نام دامنه است که به احتمال 0 آن متصل است و دامنه متفاوتی به احتمال اینکه 1 باشد متصل شده است. این دامنه ها با احتمالات ارتباط نزدیکی دارند، زیرا دامنه برخی نتایج بیشتر است از صفر، شانس دیدن آن نتیجه بیشتر است. به طور دقیق تر، احتمال برابر است با فاصله مربع.
اما دامنه ها احتمالات نیستند. از قوانین متفاوتی پیروی می کنند. به عنوان مثال، اگر برخی از مشارکت ها در دامنه مثبت و برخی دیگر منفی باشند، در این صورت مشارکت ها می توانند مخرب شوند و یکدیگر را لغو کنند. به طوری که دامنه صفر است و نتیجه متناظر هرگز مشاهده نمی شود. به همین ترتیب، آنها می توانند دخالت سازنده ای داشته باشند و احتمال یک نتیجه معین را افزایش دهند. هدف از طراحی الگوریتم برای کامپیوتر کوانتومی این است که الگویی از تداخل سازنده و مخرب را به تصویر بکشد تا در هر پاسخ اشتباه ، دامنه آن یکدیگر را لغو کند، در حالی که برای پاسخ درست، مشارکت ها یکدیگر را تقویت می کنند. اگر و فقط اگر بتوانید آن را ترتیب دهید، با نگاه کردن به احتمال زیاد پاسخ مناسب را خواهید دید.
بیست و هفت سال پیش، شور نشان داد که چگونه می توان همه این کارها را برای مشکل در نظر گرفتن اعداد صحیح انجام داد، که کدهای رمزنگاری پرکاربرد مورد استفاده در بسیاری از تجارت آنلاین را می شکند. ما اکنون می دانیم که چگونه این کار را برای برخی مشکلات دیگر نیز انجام دهیم ، اما فقط با استفاده از ساختارهای ریاضی ویژه در این مسائل. این دستگاه فقط این نیست که همه پاسخ های ممکن را به طور همزمان امتحان کنید.
سرعت کامپیوتر کوانتومی چند برابر کامپیوتر های امروزی است؟
مشکل این است که اگر می خواهید صادقانه در مورد محاسبات کامپیوتر کوانتومی صحبت کنید ، به واژگان مفهومی علوم نظری کامپیوتر نیز نیاز دارید. به نظر شما سرعت کامپیوترهای کوانتومی چند برابر کامپیوترهای امروزی خواهد بود؟
این سوال از کامپیوترکوانتومی ، یعنی دستیابی به” رفتار مقیاس بندی بهتر” یا زمان اجرا به عنوان تابعی از n، تعداد بیت داده های ورودی غافل می شود. این می تواند به معنای گرفتن یک مشکل که در آن بهترین الگوریتم کلاسیک نیاز به تعدادی از مراحل است که نمایی رشد می کند با N ، و حل آن با استفاده از تعدادی از مراحل که تنها به عنوان رشد می کند N 2 . در چنین مواردی ، برای n کوچک ، حل مسئله با کامپیوتر کوانتومی در واقع کندتر و گران تر از حل کلاسیک خواهد بود. تنها با افزایش n، سرعت کامپیوتر کوانتومی ابتدا ظاهر می شود و در نهایت تسلط پیدا می کند.
اما چگونه می توانیم بدانیم که هیچ میانبر کلاسیک وجود ندارد؛ یک الگوریتم معمولی که رفتار مقیاس بندی مشابه الگوریتم کوانتوم را داشته باشد؟ این سوال اگرچه معمولاً در حساب های رایج نادیده گرفته می شود ، اما در تحقیقات الگوریتم های کوانتومی مرکزی است، جایی که اغلب مشکل این نیست که ثابت کند یک کامپیوتر کوانتومی می تواند کاری را سریع انجام دهد ، بلکه متقاعد کننده استدلال است که یک کامپیوتر کلاسیک نمی تواند این کار را انجام دهد. متأسفانه ثابت می شود که ثابت کردن مشکلات سخت است ، همانطور که در مشکل P در مقابل NP مشهور است (که تقریباً می پرسد آیا هر مشکلی با راه حل های قابل بررسی سریع نیز می تواند به سرعت حل شود). این فقط یک مسأله آکادمیک نیست ، یک مسئله نقطه نظر است: در چند دهه گذشته، سرعت های کامپیوتر کوانتومی حدس زده بارها و بارها از بین رفته استالگوریتم های کلاسیک با عملکرد مشابه یافت شد.
توجه داشته باشید که پس از توضیح همه این مواردهنوز یک کلمه در مورد دشواری عملی ساخت کامپیوتر کوانتومی توضیح داده نشده است. مشکل، در یک کلمه، انسجام است ، که به معنی تعامل ناخواسته بین یک کامپیوتر کوانتومی و محیط آن است. میدان های الکتریکی مجاور، اجسام گرم و سایر مواردی که می تواند اطلاعات مربوط به کیوبیت ها را ثبت کند. این می تواند منجر به اندازه گیری سریع کیوبیت ها شود ، که آنها را به بیت های کلاسیک که قطعاً 0 یا قطعاً 1 هستند، تجزیه می کند. تنها راه حل شناخته شده برای این مشکل تصحیح خطای کامپیوترکوانتومی است طرحی که در اواسط دهه 1990 ارائه شد ، که هوشمندانه هر کیوبیت محاسبه کامپیوتر کوانتومی را در حالت جمعی ده ها یا حتی هزاران کیوبیت فیزیکی کد می کند. اما محققان در حال حاضر شروع به انجام چنین تصحیح خطا در دنیای واقعی کرده اند و در واقع استفاده از آن بسیار بیشتر طول می کشد. هنگامی که آخرین آزمایش با 50 یا 60 کیوبیت فیزیکی را می خوانید ، مهم است که بفهمید کیوبیت ها با خطا اصلاح نمی شوند. تا زمانی که آنها وجود نداشته باشد، ما انتظار نداریم که بتوانیم از چند صد کیوبیت فراتر برویم.
کامپیوتر های کوانتمی بطور کلی سریع تر از کامپیوتر های معمول کار می کند. محاسبات کوانتمی در این سیستم های پیشرفته به راحتی و در کمترین زمان انجام می شوند.
ممنون از این که تا پایان این مقاله همراه کاملیما بودید.
شما چه اطلاعات دیگری درباره کامپیوتر کوانتومی دارید؟ لطفا نظرات خود را با تیم ما و سایر کاربران به اشتراک بگذارید