این روز ها دنیای تکنولوژی پر شده از کامپیوترهای کوانتومی

اما آیا شما با چگونگی عملکرد کامپیوترهای کوانتومی آشنا هستید؟  چگونگی عملکرد کامپیوترهای کوانتومی چه تاثیر در سرعت عملکردشان دارد؟

 برای پاسخ دادن به این دو سوال و خیلی سوال های دیگر در مورد چگونگی عملکرد کامپیوترهای کوانتومی، کافی است تنها و با من و وارونه در این گزارش همراه باشید.

 کلی اطلاعات و خبر در مورد چگونگی عملکرد کامپیوترهای کوانتومی داریم. پس این گزارش را از دست ندهید.


محاسبات کوانتومی آینده را به شکلی عجیب کنترل خواهند کرد !

کامپیوتر های کوانتومی یک میلیون کیوبیتی ؛ غول های انقلابی عرصه تکنولوژی …


حق با شماست. کامپیوترهای کوانتومی شگفت انگیزند.

اما این کامپیوترها قدم بعدی بشر در راه تکنولوژی هستند و ما باید از نحوه ی عملکردشان سر در بیاوریم.

اگر به تاریخ نگاه کنیم متوجه می شویم که تکنولوژی همیشه از طبیعت در راستای خدمت به بشر استفاده کرده. مثلا در قرن 19 از انرژی بالای ذرات آب در حالت گاز، انقلابی حرکتی به پا شد. در قرن بیشتم شارژ کردن الکترون ها دنیای الکتریسیته را متحول کرد.

 و حالا در قرن 21، بشر از خصوصیات کوانتومی اشیا استفاده میکند تا اطلاعات را سریع تر از آن چیزی که تصور میکنید پردازش کند.

بله، همان طور که گفتم سرعت پردازش در کامپیوترهای کوانتومی چندین برابر کامپیوتر های معمولی است. اما این خصوصیت کامپیوتر های کوانتومی تنها یک بزرگنمایی است. کامپیوترهای کوانتومی تنها کارهای خاص را با سرعت بسیار بالا انجام می دهند.

یعنی یک سری پردازش ها در این کامپیوتر ها با روش هایی کاملا نوین انجام می شود. این پیچیدگی موجب سردرگمی اکثر افراد می شود. اما در این گزارش قرار است تمام پیچیدگی ها در مورد نحوه ی عملکرد کامپیوترهای کوانتومی حل شود. پس تا انتها با ما باشید.

جهش از بیت به کیوبیت

چگونگی عملکرد کامپیوترهای کوانتومی

در کامپیوتر های معمولی سویچ های کوچکی به نام بیت وجود دارند. بیت ها در این کامپیوتر ها ارزشی به اندازه 1 واحد یا 0 واحد دارند. برنامه هایی که با این کامپیوترهای کار میکنند با داشتن کدهای خاص 0 و 1 عمل میکنند. همین و بس!

در کامپیوترهایی کوانتومی، اما ، همه چیز اینقدر ساده و سر راست نیست. در کامپیوترهای کوانتومی بحث، بحثِ ذرات است. مثلا مولکول، اتم و ذرات ریز تر از اتم مانند الکترونها.

 نکته این جاست که این ذرات خصوصیات غیر قابل توصیفی دارند. مثلا همین الکترون را نمیتوان توصیف یا تشریح کرد.

 برای پردازش در کامپیوترهای کوانتومی از همین غیر قابل توصیف بودن و نامشخص بودن ذرات استفاده می شود. قدم اول در فهمیدن نحوه ی عملکرد این کامپیوترها، تعریف کردن بیت یا همان ارتباط دو سویه ی میان اعداد در این سیستم هاست.

اسپین الکترون ها…

 وقتی از یک ذره ی کوانتومی مانند الکترون استفاده میشود، خصوصیت خاصی مد نظر است که آنرا با نام میزان گردش یا همان اسپین می شناسیم. اسپین یک الکترون می تواند به میزان حداکثری 1 و یا میزان حداقلی 0 برسد.

 رابطه ی دو سویه در الکترون ها هم از میزان حداکثر و حداقل اسپین ناشی می شود. البته این را هم بگویم که اسپین هر ذره ی کوانتومی می تواند در این کامپیوترها کار کند. مثلا فوتون ها، یا مولکول ها. و هر کدام از این ذرات کوانتومی اسپین خاص و رابطه ی دوسویه ی خاصی دارند.

این ارتباط دو سویه که در ارتباط با میزان اسپین و البته نوع خاص ذرات کوانتومی تعریف می شود کیوبیت نام دارد. کیوبیت ها، نوع تغییر یافته از بیت هایی هستند که در کامپیوترهای معمولی کارایی دارند. می توانید تصور کنید با چه میزان گستردگی رو به رو هستیم؟

ما میدانیم که الکترون ها از قوانین فیزیک کوانتومی تابعیت دارند.

میدانیم که میزان گردش یا اسپین الکترون ها با ترکیبی خاص از اعداد صفر و یک تعیین می شود.

 اما نکته این جاست که اسپین الکترون ها تنها زمانی قابل تعریف است که الکترون با محیط اطرافش ارتباط قابل توجهی داشته باشد. این ارتباط است که در قوانین فیزیک کوانتومی، الکترون ها و عملکردشان را قابل اندازه گیری میکند.

نکته ی دیگری هم هست.

امکان ندارد اسپین الکترونی در آن واحد هم صفر باشد هم 1. دانشمندان پیش بینی می کنند که اسپین اکترون چه می تواند باشد. البته این پیش بینی با همه ی پیش بینی هایی که فکر میکنید تفاوت دارد. چون نحوه ی تعریف دانشمندان از عملکرد پایانی است که تعیین میکند اسپین الکترون ها چگونه باید باشد.

در دنیای فیزیک کوانتومی به این پروسه اینترفیس گفته می شود. وقتی تعدادی از کیوبیت ها کنار هم جمع می شوند، می توان یک سری شرایط خاص بر هر کدام از این کیوبیت ها اعمال کرد. به این شرایط خاص «تاثیر اینترفیس» گفته می شود.

«تاثیر اینترفیس» موجب می شود ارتباط میان ذرات و اسپین مشخصشان برای لحظه ای از حرکت بایستد. و پس از آن در جهتی که مد نظر دانشمند است حرکت کند.

 درست مانند اقیانوسی که همه جایش مواج است. سپس برای لحظه ای می ایستد و این باد است که تعیین میکند پس از این جهت موج اقیانوس به کدام سمت باشد. همین جهت گیری هاست که در نهایت عملکرد پایانی را می سازد.

چنین فرآیندی دقیقا همان کاری است که نرم افزارهای برنامه نویسی کامپیوترهای کوانتومی باید انجام دهند.

هنر طراحی الگوریتم های کوامنتومی در این است که اینترفیسی طراحی شود که در نهایت بتواند امکان به وجود آمدن کدهایی مد نظر را بالا ببرد.

 راحت تر بگویم، اینترفیسی که طراحی می شود باید بتواند الکترون ها را مجبور کند اسپین خاصی داشته باشند. اسپینی که در نهایت منجر به انجام عملکرد مورد نظر کاربر کامپیوتر باشد.

سرعت بالای کامپیوترهای کوانتومی؛ چرا و چگونه؟

اینترفیس و اسپین الکترون ها به تنهایی نمی توانند ویژگی های خاص کامپیتر های کوانتومی را بیان کنند. دستور العمل جادویی که موجب می شود کامپیوترهای کوانتومی بسیار سریع تر از کامپیوترهای معمولی عمل کنند چیز دیگری است.

این خصوصیت را با نام درگیری کوانتومی می شناسیم. حالا ببینیم درگیری کوانتومی دقیقا چیست و چرا باعث بالا رفتن سرعت کامپیوترهای کوانتومی می شود.

درگیری ویژگی است که تا به حال در کامپیوترهای معمولی وجود نداشته. پس نباید به دنبال هم خانواده ای از این ویژگی در کامپیوترهای خانگی مان باشیم.

درگیری کوانتومی از ارتباط خاص میان ذرات به وجود می آید. این درگیری میان ذرات، خواه الکترون، خواه هر ذره ی دیگر، موجب می شود ویژگی های تمام الکترونها یکسان شود.

در نهایت اسپین یک ذره با اسپین تمام ذراتی که با آن یک ذره درگیری داشته برابر می شود. لازمه ی چنین درگیری ارتباط فیزیکی نیست. بر اساس یافته های انیشتین ذرات می توانند با فاصله هم روی هم تاثیر بگذارند.

نقش درگیری کوانتومی در کنار نقش اینترفیس و اسپین ذرات در کنار هم است که چگونگی عملکرد کامپیوترهای کوانتومی را می سازد.

نقشی که تا به حال در کامپیوترهای معمولی وجود نداشته! نقش درگیری کوانتومی در این میان از همه ی فاکتور ها پر رنگ تر است.

 اینترفیس و اسپین را می توان در کامپیوترهای معمولی هم به وجود آورد. اما این درگیری کوانتومی است که به سرعت بالای کامپیوترهای کوانتومی در عملکرد خاصشان جان می دهد.

برنامه های کوانتومی

تمام این اتفاقات در کنار هم کمی غیر ممکن به نظر میرسد. مثلا اینکه چطور می توان با استفاده از اینترفیس تعیین کرد که عملکرد مورد نظر ما چیست؟ در حالیکه که خودمان هم نمیدانیم عملکرد مورد نظر قرار است چه مشکلی را برایمان حل کند.

 پاسخ دادن به این سوال به بررسی جنبه های متفاوت یک عملکرد بر می گردد. و به همین دلیل است که در ابتدای گزارش گفتم کامپیوترهای کوانتومی تنها در کارهای خاصی به دادمان می رسند.

این کارهای خاص آنهایی هستند که جواب دادن به آنها پس از پرسیدنشان خیلی راحت است؛ اما پیدا کردن بهترین جواب ممکن خیلی مشکل!

 اگر گیج شده اید به این مثال توجه کنید.

معادله ی ریاضی را در نظر بگیرید. در این معادله جواب مشخص است. اما مشخص نیست چه اعدادی با هم جمع شده اند و این عدد بزرگتر را به وجود آورده اند.

اگر کار به عملکرد کامپیوترهای معمولی باشد، هزاران ترکیب عددی برایتان نمایش داده می شود. اما مشخص نیست کدام بهترین جواب و درست ترین جواب ممکن برای معادله است.

اما کامپیوترهای کوانتومی و الگوریتم های نرم افزار های موجود در سیستمشان می تواند بهترین و درست ترین جواب را به شما نشان دهد.

به عبارت دیگر، نرم افزار ها و الگوریتم های موجود در این کامپیوترها، موجب بهترین اینترفیس و درگیری کوانتومی می شوند و در نهایت بهترین جواب از این سمفونی هماهنگ کوانتوم ها به دستمان می رسد.

 داستان از این قرار است که بهترین جواب توسط الگوریتم ها حدس زده می شود. از بهترین خصوصیات این جوابِ فرضی استفاده می شود تا جوابهای نامربوط کنار گذاشته شود.

 و در نهایت جوابی که با جواب فرضی الگوریتم ها بیشترین هم خوانی را دارد به عنوان بهترین جواب ممکن نشان داده می شود. البته چنین پروسه ای هنوز در حد فرضیه است و خیلی راه مانده تا به فاز اجرایی اش برسد.

آینده ی کامپیوترهای کوانتومی

با تمام پیچیدگی هایی که در توضیحات بالا دیدید امکان اینکه چنین الگوریتم هایی بالاخره به وجود بیایند و کامپیوترهایی کوانتومی را مجهز تر از آنچه هستند بکند وجود دارد!

از این ویژگی ها در ارتش، کمپانی های داروسازی و شرکت های مهندسی بزرگ می توان استفاده کرد. و جالب این جاست که این همه پیشرفت تنها اولین قدم ها در راه تکنولوژی کوانتوم است.

در قلمرو تکنولوژی کوانتوم یک دنیا چیز ناشناخته هست که هنوز سر از کارشان در نیاورده ایم. به امید آن روز…..