کامپیوترهای کوانتومی (بخش ۲)

ویژگی کوانتومی اشیا چیست؟

ویژگی کوانتومی بیان می‌کند، یک شی می‌تواند در لحظه چند شی باشد، یا در چندین حالت مختلف باشد!

فرض کنید سکه‌ای را به هوا پرتاب می‌کنید، سکه‌ی در حال چرخش هم می‌تواند شیر باشد و هم خط و تا وقتی به زمین نرسد به هیچ‌وجه نمی‌توانیم درباره‌ی وضعیت آن اظهار نظر کنیم، مثال بسیار معروفی در این زمینه وجود دارد به نام آزمایش گربه‌ی شرودینگر، در ادامه برای درک بهتر مفهوم فیزیک کوانتوم این مثال را بررسی می‌کنیم.

آزمایش گربه‌ی شرودینگر

آزمایش گربه‌ی شرودینگر، یک آزمایش فکری است که توسط اروین شرودینگر (فیزیکدان اتریشی) ابداع شد، این آزمایش به ما نشان می‌دهد هنگامی که قوانین کوانتومی در زندگی روزمره‌ی ما اعمال شوند چه اتفاقی می‌افتد، توصیف این آزمایش به شرح زیر است:

فرض کنید، گربه‌ای در یک جعبه قرار دارد و یک ظرف سم نیز در آن جعبه است، تا وقتی در جعبه بسته است ما هیچ پیشفرضی درباره سرنوشت گربه نداریم، 50 درصد این احتمال وجود دارد که گربه مرده باشد یا به احتمال 50 درصد زنده باشد.تا وقتی در جعبه را باز نکرده‌ایم نمی‌توانیم هیچ اظهار نظری در این‌باره کنیم، به بیان دیگر این گربه هم زنده است و هم مرده، تا اینکه در جعبه را باز کرده و آن‌را نگاه کنیم.

به طور کلی می‌توان گفت نظریه‌ی فیزیک کوانتومی اینطور بیان می‌کند که همه‌ی اشیا می‌توانند انواع حالات مختلف را در هر لحظه داشته باشند مگر اینکه به آن‌ها نگاه کنیم، اجسام تنها زمانی که به آن‌ها توجه می‌کنیم ویژگی‌های منطقی خود را می‌گیرند و تا قبل از آن هر شی می‌تواند هر چیزی باشد!

کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند در یک لحظه انواع حالات مختلف مسئله را در خود داشته باشند، بیت‌هایی که نمایان‌گر دو عدد مختلف بودند.

گفتیم در یک کامپیوتر معمولی در هر لحظه هر بیت تنها یک مقدار می‌پذیرد، بنابراین مقدار مجموعه‌ی بیتی برابر با 172 یا 236 است، اما در یک کامپیوتر کوانتومی مجموعه‌ی بیتی در هر لحظه برابر با تمام اعداد موجود در این بازه است و می‌تواند به طور همزمان هم برابر 172 و هم برابر 236 باشد!کامپیوترهای کوانتومی به دلیل اینکه در لحظه تمام حالات پاسخ یک سوال را در خود دارند به میزان حافظه‌ی بسیار کمتری احتیاج دارند، چرا که در یک کامپیوتر معمولی چنین پردازش‌هایی ملزم اختصاص یک فضای جداگانه به هر راه‌حل است، در حالی که کامپیوتر کوانتومی تمام حالات پاسخ را به طور همزمان در کیوبیت‌های خود نگهداری می‌کند.

کامپیوترهای کوانتومی چگونه کار می‌کنند؟

طبق توضیحات بالا در می‌یابیم که یک کامپیوتر کوانتومی تمام راه‌حل‌های یک مسئله را در آن واحد درون کیوبیت‌های خود دارد، فقط کافیست مقدار این کیوبیت‌ها در لحظه‌ی درست خوانده شود تا به جواب مسئله برسیم.

برای اینکه بتوانیم کیوبیت‌های یک کامپیوتر کوانتومی را به وجود آوریم لازم است تا کامپیوتر در شرایط دمایی نزدیک به صفر مطلق نگهداری گردد تا بیت‌های سخت‌افزاری دارای خاصیت کوانتومی شوند.

بنابراین فعلا نمی‌توان کامپیوترهای کوانتومی را مانند کامپیوترهای معمولی در خانه و محل کار استفاده کرد، این کامپیوترها معمولا در شرایط آزمایشگاهی و با اهداف علمی و پژوهشی استفاده می‌شوند، هرچند هنوز کامپیوترهای کوانتومی خیلی قدرتمندتر از کامپیوترهای معمولی نیستند، اما این فناوری به سرعت در حال پیشرفت بوده و به زودی دنیای جدیدی به روی ما گشوده خواهد شد، در حال حاضر شرکت‌هایی مانند گوگل، IBM و مایکروسافت در حال کار روی پردازش کوانتومی هستند.

کاربردهای یک کامپیوتر کوانتومی

تقریبا می‌توان گفت هرآنچه قبلا قادر به محاسبه و مدل‌سازی آن نبودیم، هم‌اکنون به کمک رایانش کوانتومی امکان‌پذیر است! از مدل‌سازی ذرات اتم‌ها گرفته تا ملکول‌های مختلف، صنایع دارویی، غذایی و…

یکی از مهم‌ترین کاربردهای کامپیوترهای کوانتومی در مواردی است که با اتم‌ها و ملکول‌ها سر و کار داشته باشیم، این کامپیوترها در این زمینه به قدرت بلامنازع تبدیل خواهند شد و می‌توانند در آن واحد مدل‌های مختلف را شبیه‌سازی کرده و کمک‌های بسیار زیادی به علم پزشکی و داروسازی کنند.

پردازش‌های کوانتومی تا چه حد قابل اطمینان هستند؟

یکی از چالش‌هایی که در حال حاضر پیش‌روی رایانه‌های کوانتومی قرار دارد، مشکل عدم اطمینان به پاسخ آن‌هاست، ساز و کار تصحیح خطا در کامپیوترهای کلاسیک به این صورت است که معمولا بیت‌های اضافه‌ای برای بررسی خطای بیتی و در صورت نیاز تصحیح آن‌ها در نظر گرفته می‌شود، اما این ساز و کار در کامپیوترهای کوانتومی امروزی قابل اجرا نیست، چرا که برای افزودن بیت‌های تست خطا چیزی حدود 2000 کیوبیت مورد نیاز است، در حالی که در حال حاضر قوی‌ترین کامپیوترهای کوانتومی موجود چیزی در حدود 100 کیوبیت در پردازنده‌های خود دارند!

فعلا یکی از چالش‌های پیش‌روی کامپیوترهای کوانتومی مسئله‌ی عدم اطمینان به نتایج حاصل از پردازش‌های آن‌هاست.

خطرات پردازش‌های کوانتومی

کامپیوترهای کوانتومی در یک لحظه تمام حالات یک مسئله را در خود دارند، حال فرض کنید از این قدرت برای شکستن رمزهای عبور و پروتکل‌های رمزنگاری استفاده شود، چراکه یک کامپیوتر کوانتومی در لحظه تمام رمزهای موجود را در خود دارد، تنها کافیست رمز صحیح در یک لحظه انتخاب شود!

به همین دلیل بسیاری از دولت‌ها در حال رقابت در این زمینه هستند، در حقیقت اولین کسی که بتواند به تکنولوژی رایانش کوانتومی دست پیدا کند قادر است تمام پسوردهای جهان را یافته و از هر قفلی عبور کند!

رمزنگاری حساب‌های کاربری، پروتکل‌های امنیتی شبکه، انتقال داده‌ها و… همه و همه با خطر رو به رو خواهند شد، البته مراکز امنیتی نیز بیکار ننشسته و در حال تلاش برای حل این مشکلات هستند، آن‌ها سعی می‌کنند سیستم رمزنگاری ایجاد کنند که بتواند در برابر کامپیوترهای کوانتومی مقاومت کند.

از سوی دیگر استفاده از قابلیت‌های کامپیوترهای کوانتومی در هوش مصنوعی قدرت پردازش و تحلیل خارق‌العاده‌ای در اختیار ربات‌ها قرار می‌دهد، احتمالا در آینده‌ای نه‌چندان دور شاهد به حقیقت پیوستن فیلم‌های علمی تخیلی خواهیم بود، دنیایی که در آن ربات‌های هوشمند با انسان همکاری می‌کنند یا شاید برعلیه انسان‌ها شورش کرده و ما را به عنوان برده‌های خود به‌کار می‌گیرند…

پیدایش محاسبات کوانتومی

نظریه و فیزیک کوانتوم قوانین حاکم بر دنیای میکروسکوپی، اتم‌ها و ذرات زیر اتمی را تشریح می‌کند. همان‌طور که گفتیم، در مقیاس‌های اتمی، قوانین فیزیک کلاسیک دیگر کارایی نداشته و نیاز است تا قوانین جدیدی را به کار بریم.در کتاب‌های اپتیک، نور را موجودی دوگانه (موج و ذره) تعریف می‌کنند. در واقع نور بخشی از طیف امواج الکترومغناطیسی است که در عین حال یک ذره (فوتون) هم می‌تواند باشد! شاید بپرسید چگونه یک چیز واحد می‌تواند دو موجودیت داشته باشد؟! بله، در دنیای کوانتوم نظیر چنین مطالبی امری عادی است.

حال فرض کنید که ما همچنان بتوانیم ابعاد ترانزیستورها را کوچک و کوچکتر کنیم تا قانون مور پابرجا بماند. این ترانزیستورهای کوچک دیگر همانند ترانزیستورهای قدیمی مطابق قوانین فیزیک کلاسیک کار نکرده و از قوانین پیچیده‌تر فیزیک کوانتومی پیروی می‌کند. سوال مهمی که در اینجا پیش می‌آید، این است که آیا تراشه‌های ساخته شده با این ترانزیستورهای به اصطلاح کوانتومی می‌توانند کارهای رایج مارا انجام دهند؟! محاسبات ریاضی روی کاغذ به این سوال پاسخ مثبت می‌دهد.

اجازه دهید نگاهی گذار به روند پیشرفت علوم کامپیوتر و محاسبات که باعث شدند امروزه کامپیوترهای کوانتومی به گزینه‌ای جدی برای انجام محاسبات تبدیل شوند، داشته باشیم. آغاز این روند از دو فیزیکدان و محقق شرکت «آی بی اِم» (IBM) به نام‌های «رالف لاندائور» (Rolf Landauer) و «کارلس بِنِت» (Charles H. Bennett.) بود. لاندائور در دهه 1960 مطرح کرد که اطلاعات ماهیتی فیزیکی دارند که با توجه به قوانین فیزیکی می‌توانند تغییر کنند.

یکی از نتایج بسیار مهم از طرح لاندائور این است که کامپیوترها، به واسطه دستکاری و تغییر اطلاعات (بیت‌ها) باعث به هدر رفتن انرژی می‌شوند. به همین دلیل است که قسمت‌های پردازشی در یک کامپیوتر نظیر تراشه مرکزی (CPU) و تراشه گرافیکی (GPU) حتی اگر عملیات سنگینی انجام ندهند، انرژی بسیار زیادی مصرف کرده و گرم می‌شوند.

بِنِت در دهه 1970 در راستای طرح لاندائور، نشان داد که اگر کامپیوترها بتوانند عملیات پردازش را به طور برگشت‌پذیر انجام دهند، می‌توان از اتلاف انرژی به حد زیادی جلوگیری کرد. منظور از پردازش یا محاسبات برگشت‌پذیر به طور خیلی ساده این است که با داشتن خروجی‌ اطلاعات (بیت‌های خروجی) بتوانیم به اطلاعات ورودی (بیت‌های ورودی) پی ببریم. برای تحقق این امر باید دروازه‌های (گیت) منطقی ساخت که به طور برگشت پذیر کار می‌کنند. در فیزیک و محاسبات کلاسیک تنها گیت NOT برگشت‌پذیر است. پس انتظار می‌رود که کامپیوترهای کوانتومی با انجام محاسباتی برگشت‌پذیر، عملیات گسترده و سنگینی را بدون صرف انرژی‌های بسیار زیاد انجام دهند. در مقام مقایسه خوب است بدانید که کامپیوتر کوانتومی D-Wave 2000Q ساخت شرکت کانادایی «دی وِیو» (D-Wave) تنها 25کیلووات انرژی مصرف می‌کند. در حالی که سوپرکامپیوتر Summit که از تراشه‌های شرکت «انویدیا» استفاده می‌کند توان مصرفی 13مگاوات را دارد!

در سال 1981 «پائول بِنیوف» (Paul Benioff) از آزمایشگاه ملی (Argonne) سعی کرد ماشینی بسازد که مشابه یک کامپیوتر معمولی اما طبق قوانین فیزیک کوانتومی کار می‌کرد. سال بعد «ریچارد فاینمن» (Richard Feynman) فیزیکدان پرآوازه، با استفاده از اصول مکانیک کوانتومی، چگونگی استفاده از یک ماشین پایه برای انجام محاسبات را نشان داد. چند سال بعد در دانشگاه آکسفورد «دِیوید دویچ» (David Deutsch) یکی از تاثیرگذارترین افراد در توسعه محاسبات کوانتومی، مبانی نظری و تئوری یک کامپیوتر کوانتومی را تشریح کرد.

ویژگی‌های اصلی کامپیوترهای معمولی نظیر بیت‌، الگوریتم، گیت‌های منطقی و … به طور مشابه در کامپیوترهای کوانتومی نیز وجود دارند. اصلی‌ترین جزء یک کامپیوتر کوانتومی، در واقع واحد پردازش اطلاعات، بیت کوانتومی یا کیوبیت است.

آیا کامپیوترهای کوانتومی جایگزین کامپیوترهای عادی می‌شوند؟

شاید بتوان با قطعیت پاسخ خیر را به این سوال داد. از آنجایی که تعریف کیوبیت‌ها شرایط خاصی (مثل خلأ بالا و یا دمای خیلی پایین) را طلب می‌کند، دور از انتظار است که در آینده، تلفن همراه و یا کامپیوتر خانگی شما حاوی تراشه‌ای کوانتومی باشد.

کامپیوتر کوانتومی تنها حالت خاصی از کامپیوتر است که برای انجام و اجرای الگوریتم‌هایی خاص توسعه پیدا کرده است. برای روشن شدن این مطلب نور معمولی و نور لیزر را در نظر بگیرید. آیا با اختراع لیزر که فرمی جدیدتر از نور معمولی بود، استفاده از نور معمولی به تاریخ پیوست؟! خیر، لیزر کاربردهای خاص خود را داشته و نمی‌توان آن را جایگزین نور معمولی کرد.

تا به امروز به جز چند الگوریتم محدود نظیر «شور» (Shor Algorithm) و «گراور» (Graver Algorithm)، مورد دیگری کشف نشده است که در کامپیوتر های کوانتومی بهتر اجرا شود.

شایان ذکر است الگوریتم شور که در سال 1994 توسط «پیتر شور» (Peter Shor) در آزمایشگاه «بل» (Bell) واقع در شرکت مخابراتی AT&T کشف شد، خطری بزرگ برای امنیت جهانی اینترنت و سیستم‌های رمزنگاری معمولی است. این الگوریتم که عمل شکستن یک عدد بسیار بزرگ به عامل‌های اول را در زمانی کوتاه انجام می‌دهد، خطری بزرگ برای سیستم‌های رمزنگاری است. البته در حال حاضر بعید است که هکرها و سارقان به کامپیوتر کوانتومی دسترسی داشته باشند. همچنین از نگاه مثبت، این امر به توسعه بخش‌های جدید از محاسبات کوانتومی منجر شد و دانشمندان را وادار به توسعه رمزنگاری کوانتومی و مخابرات کوانتومی کرد.

لازم به ذکر است که الگوریتم گراور برای جست‌وجو در پایگاه‌های داده خیلی بزرگ کاربرد دارد. انجام اموری که توسط الگوریتم‌های شور و گراور در زمانی کوتاه صورت می‌گیرد، توسط قوی‌ترین سوپرکامپیوترهای موجود ممکن است که تا ما‌ه‌ها و یا سال‌ها طول بکشد.

مشکلات ساخت کامپیوتر کوانتومی

خارج شدن یک ایده یا دستگاه از حالت آزمایشگاهی و نمود صنعتی پیدا کردن، ممکن است که چندین سال طول بکشد. در پس ساخت کامپیوترهای معمولی با ترانزیستورهای عادی که هر ساله نمونه‌های جدیدی از آن‌ها با سرعت و ظرفیت‌های بیشتری روانه بازار می‌شوند، چندین سال تجربه است. برای ساخت یک کامپیوتر کوانتومی به نوآوری‌هایی جدید که با قوانین فیزیک کوانتومی در تعامل هستند، نیاز داریم.

همان‌طور که پیش‌تر اشاره کردیم، یکی از مشکلات اصلی ساخت کامپیوترهای کوانتومی، ایجاد و کنترل دقیق کیوبیت‌ها و ساخت گیت‌های کوانتومی پایدار است. مشکل دوم مربوط به خطاپذیری زیاد سیستم‌های کوانتومی است که از لحاظ فنی نویز (Noise) نامیده می‌شود. از آنجایی که کوچکترین تغییرات (جزئی) که ما از آنها در فیزیک کلاسیک و علوم مهندسی صرف‌نظر می‌کنیم، حالت یک سیستم میکروسکوپی در واقع کوانتومی را تغییر می‌دهند، باعث ایجاد خطا در محاسبات کوانتومی می‌شوند. از این جهت کیوبیت‌ها کوچک‌ترین تعاملی با محیط بیرون نباید داشته باشند، لذا به خلأ بسیار بالا و یا دماهای خیلی پایین (برای نمونه‌های ابررسانا) نیاز است. همچنین راهکارهایی نظیر «اصلاح خطای کوانتومی (Quantum Error Correction) برای رفع این مشکل ارائه شده‌اند.

یکی دیگر از مشکلات اساسی کامپیوتر کوانتومی، چگونگی ارسال و دریافت اطلاعات از آن است. برخی از منتقدین این مشکل را غیرقابل حل می‌داند. البته به نظر می‌رسد، کامپیوترهای کوانتومی اپتیکی که کیوبیت‌ها بر اساس فوتون در آن‌ها تعریف می‌شوند، کمتر این مشکل را داشته باشند. در واقع کدگذاری و ایجاد یک استاندارد برای کیوبیت‌های فوتونی امری ساده‌تر از دیگر کیوبیت‌ها است.

چقدر از کامپیوترهای کوانتومی دور هستیم؟

در سال‌های اولیه، بحث کیوبیت‌ها و کامپیوترهای کوانتومی تنها روی کاغذ مطرح بود. پس از گذشت مدتی طولانی، در سال 2000 دو پیشرفت قابل توجه در این حوزه از علم فیزیک رخ داد. ایزاک چوانگ (Isaac Chuang) استاد دانشگاه MIT و محقق شرکت IBM توانست یک کامپیوتر کوانتومی (البته غیر قابل استفاده) با ۵ کیوبیت توسط اتم‌های فلوئور (Fluorine) بسازد. در همان سال، پژوهشگران آزمایشگاه ملی لوس آلاموس (Los Alamos) توانستند توسط قطره مایعی اسیدی شامل ۴ اتم کربن و ۶ اتم هیدروژن یک ماشین ۷ کیوبیتی بسازند. ۵ سال بعد محققان دانشگاه اینسبراک (Innsbruck) توانستند یک کیوبیت به همان سیستم اضافه و ماشینی ۱ کیوبایتی (Qubyte) در واقع شامل ۸ کیوبیت را بسازند.

تا سال 2011 پژوهش‌های زیادی در این حوزه انجام شد. اما در این سال شرکت پیشگام کانادایی D-Wave با رونمایی از یک کاپیوتر 128 کیوبیتی گام موثری در پیشرفت دنیای محاسبات کوانتومی برداشت. البته بحث‌های زیادی در خصوص این که آیا این ماشین واقعاً رفتاری کوانتومی دارد یا خیر، مطرح است. در سال 2015 شرکت «گوگل» کامپیوتر کوانتومی خود را بر اساس طرح شرکت D-Wave توسعه داد و اعلام کرد که روشی جدید برای کنترل و تشخیص خطاهای کوانتومی پیدا کرده است.

در سال 2016 «ایزاک چوانگ» و پژوهشگران دانشگاه «اینسبراک» کامپیوتری 5 کیوبیتی توسعه دادند که می‌تواست مطابق با الگوریتم شور فاکتور‌های عدد 15 را محاسبه کند.

در سال 2017 شرکت «مایکروسافت» (Microsoft) با معرفی و ارائه زبان برنامه‌نویسی جدید به اسم Q#، کیت کاملی برای توسعه برنامه‌های کاربردی کوانتومی توسعه داد. در همین سال شرکت D-Wave با معرفی کامپیوتر کوانتومی D-Wave 2000Q که شامل 2048 کیوبیت و بر اساس فیزیک ابررسانا‌ها کار می‌کرد، معرفی کرد.

در میان سال‌های 2000 تا به امروز تحقیقات گسترده‌ای در این زمینه در حال انجام است که تنها به بخش کوچکی از آن‌ها در فوق اشاره کردیم. با وجود این پیشرفت‌ها، همچنان مشکلات زیادی بر سر راه کامپیوترهای کوانتومی وجود دارد.

پردازنده کوانتومی (Quantum computer) روش جدیدی برای پردازش داده های مختلف به کمک قوانین مکانیک کوانتوم مانند برهم نهی (Superposition) و درهم تنیدگی (Entanglement) است که دنیایی جدید را پیش و روی ما قرار میدهد. عصری نوین و پر چالش که با پردازنده های کوانتومی و فیزیک کوانتوم آغاز میشود و میتواند همانند روزهای آغازین کشف برق، تحولی عظیم در جهان ما ایجاد کند.

سرعت پردازنده کوانتومی (Quantum Processors)

شاید در خبرها خوانده باشید که با ایجاد درهم تنیدگی بین زوج های فوتون نور، پردازنده کامپیوتری توانست محاسباتی که ابرکامپیوتر وزارت دفاع امریکا (ساخت آی بی ام) با میلیون ها ترابایت حافظه در ۴۸ ساعت انجام دهد، را در یک دهم میلی ثانیه (۰/۰۰۰۱ ثانیه) انجام داد. بعد از این مرحله بود که محققین فیزیک اپتیک دانشگاه واترلو در کانادا روشی را کشف کرده اند که درهم تنیدگی در گروه های ۳ تایی فوتون های نور ایجاد کنند. این روش به طور اختصار SPDC نام دارد.

کاربری این کشف در ساخت پردازنده های کوانتومی انقلابی در سرعت پردازش داده ها توسط پردازنده های کوانتومی آغاز کرد و به نوعی این دانشکده توانسته روند مهمی را در این حوزه شروع کند. Quantum Supremacy روشی است که محققین این دانشکده روی آن کار میکنند و نتایج اولیه تحقیقات خودشان را منتشر کردند. جالب است بدانید برای گسترش سرعت پیشرفت حوزه کوانتومی، ماهواره ارتباط کوانتومی نیز به فضا ارسال شده است.

بخاطر سرعت فوق العاده بیشتر داده پردازی، پردازنده های کوانتومی میتوانند تمام شبکه های کامپیوتری عادی (باینری) را به راحتی آب خوردن هک کنند. ولی باینری ها نمیتوانند شبکه داده های کوانتومی را هک کنند. علت این است که وقتی سعی کنند شبکه کوانتومی را هک کنند، بیت های کوانتومی (فوتون های درهم تنیده) فوراً تغییر حالت کوانتومی میدهند و اطلاعات درون آنها دیگر قابل دسترسی نخواهند بود.

در همین گیر و دار پیشرفت های کوانتومی بود که در سال ۲۰۱۶ چین اولین ماهواره ارتباطات کوانتمی جهان را به فضا فرستاد. کشور دیگری تا بحال نتوانسته این کار را انجام بدهد.اهمیت موضوع به قدری بود که مقاله ای در نیچر منتشر شد که نشان میداد رکورد جدیدی برای ارتباط بین این ماهواره و یک نود کوانتومی روی زمین بجا گذاشته شده. رکوردی معادل ۱۲۰۰ کیلومتر بر ساعت! یعنی تنها ماهواره ارتباط کوانتومی جهان باز هم رکورد زد!

ورود غول دنیای پردازنده به دنیای پردازنده کوانتومی

سرعت رشد پردازنده های کوانتومی بالاست و شرکت های مختلفی در این حوزه مشغول فعالیت هستند. غول دنیای پردازنده یعنی اینتل هم از این غافله عقب نمانده و به کمک محققین شرکت QuTech در اورگن (ایالتی در شمال غرب امریکا) توانستند برای اولین بار براى پردازنده کوانتومی تا حداکثر ۱۲۸ بیت کوانتومی قطعه مهم CMOS بسازد. این شرکت در تحقیقات خودش اعلام کرده که مرحله بعدی پیشرفت به سمت پایین آوردن دمای لازم برای کاربرد کیوبیت ها از حد ۳ درجه کلوین خواهد بود.

نکته مهم اینجاست که با تکمیل ساخت CMOS و توسعه آن به بیش از ۱۲۸ کیوبیت، کم کم ساخت پردازنده های کوانتومی و تولید انبوه کامپیوترهای کوانتومی ممکن خواهد شد. یعنی ورود اینتل به موضوع از این زاویه قابل بررسی است. واژه CMOS مخفف Complementary Metal Oxide Semiconductor یا اکسید نیمه رسانای فلزی است که به زودی بیشتر از آن خواهید شنید. اما نکته شگفت انگیز ماجرا ۳ درجه کلوین است که در دنیای مهندسی در حد حرف و تئوریک است.

البته تحقیقات مختلف نشان داده که فیزیک دانان مدت زمان زیادی است که رفتار ذرات را در نزدیکی صفر کلوین بررسی میکنند. تقریباً حدود ۳۰ سال پیش رفتار هلیوم در دمای نزدیک صفر مشاهده شد. گاز هلیوم رو سرد کردند، در دمای نزدیک صفر کلوین اتم ها تقریباً از حرکت باز ایستادند، کمی سردتر، هلیوم مایع شد. سپس از جدار ظرف فلزی به بیرون نشت کرد! پدیده تونلینگ کوانتومی ایجاد شد. کم کم این پدیده (تونلینگ) در شاخه های دیگه مثل بیولوژی و ژنتیک و ..‌. هم بکار گرفته شد و حالا از همین روش برای توسعه سیستم خنک سازی پردازنده های کوانتومی استفاده میکنند.

قدمی برای شبکه اینترنت کوانتومی

در بین پیشرفت های جالب توجه حوزه پردازنده های کوانتومی، ساخت شبکه اینترنت کوانتومی چیزی بود که معنای دیگری داشت. محققین فیزیک کوانتم حدود ۲۰ سال است به دنبال طراحی و ساخت شبکه اینترنت کوانتومی هستند که ۲ مزیت اصلی نسبت به شبکه های اینترنت باینری عادی (امروزه) دارند:

1. سرعت انجام محاسبات توسط پردازنده های کوانتومی فوق العاده بالاتر از پردازنده های باینری‌ است.
2. امنیت شبکه بسیار بالاتر از شبکه های باینری است.

دانشمندان طی ۳ سال گذشته توانسته اند بین فوتون های نور تحت هرگونه شرایط لازم برای ساخت اینترنت کوانتومی، درهمتنیدگی ایجاد کنند (حتی در فضا، زیر سطح اقیانوس). ولی تا به حال نتوانسته بودند در حین انتقال فوتون های حاوی اطلاعات، بین دو حافظه کوانتومی، درهمتنیدگی را تا بیش از فاصله ۵۰ کیلومتر ایجاد کنند. در سال ۱۳۹۹ و در حین آزمایشات کوانتومی، این قدم مثبت نیز با موفقیت برداشته شد و محققین توانستند با ارسال اطلاعات بین دو حافظه کوانتومی از طریق فیبر نوری، به این هدف مهم نیز دست یابند.

و اما آخرین اتفاق مهمی که در حوزه پیشرفت های بسیار مهم کوانتومی در زمینه ساخت و طراحی پردازنده های کوانتومی رخ داده، محاسبه ۷۶ کیوبیت در ۲۰۰ ثانیه است.   متخصصین نتایج محاسبات با استفاده از تنها ۷۶ کیوبیت (فوتون) در طی ۲۰۰ ثانیه را ارائه دادند که اگر با کامپیوترهای عادی آن محاسبات را انجام بدهند، حدود ۲/۵ میلیارد سال طول میکشد. سرعت پردازنده های کوانتومی خیلی به مرز quantum supremacy نزدیک شده. مرزی که عبور از آن امنیت شبکه های باینری را به خطر خواهد انداخت.

متخصصین میگویند، یک هکر با یک پردازنده کوانتومی با حدود ۴۰۰ تک فوتون درهم تنیده میتواند براحتی هر سیستم پردازش باینری (بانکها، تسلیحات نظامی …) را هک کند. به دلیل استفاده از اصل کوانتومی superposition، برخلاف پردازنده های عادی (باینری) که مقدار عددی بیت ها فقط میتواند صفر یا یک باشد، بیت های کوانتومی qubit علاوه بر صفر یا یک میتوانند همزمان هم صفر هم یک باشند. بله، این فقط یکی از شگفتی های فیزیک کوانتم است.

همچنین، بدلیل استفاده از اصل درهمتنیدگی کوانتومی شگفتی دیگر فیزیک کوانتم که انیشتن آنرا spooky نامید و نپذیرفت، وقتی تعداد qubit های یک پردازنده کوانتومی از حدود ۶۰ عدد بالاتر میرود، سرعت پردازش داده ها بطور تصاعدی و با سرعت شگفت انگیز بالا میرود.

دوران داده پردازی کوانتومی، ماهواره کوانتومی و شبکه اینترنت کوانتومی آغاز شده.

 بعد از گذشت ده ها سال و پیشرفت های تدریجی ، محققان در نهایت به ساخت کامپیوتر های کوانتومی قدرتمندی نزدیک شده اند، که می توانند کارهایی فراتر از کامپیوترهای معمولی انجام دهند که این نقطه ی عطف را با عنوان “برتری کوانتومی “نامگذاری کرده اند. در حال حاضر گوگل در دنیای کامپیوترهای کوانتومی پرچمدار است.

شرکت کانادایی دی‌ ویو سیستمز ( D-Wave Systems ) در حال حاضر کامپیوتر های کوانتومی به نام دی-ویو-۲-ایکس به بازار عرضه کرده است. اما این کامپیوتر های کوانتومی به طور خاص برای بهینه سازی دودویی نامحدود درجه دوم طراحی شده اند که آنها را برای تجزیه ی اعداد صحیح نامناسب میکند. البته باید گفت که این کامپیوتر کوانتومی سریعتر از کامپیوترهای سنتی نیست.

گوگل مشغول آزمایش پردازنده ی 20 کیوبیتی خود می‌باشد. به نظرمی‌رسد این شرکت قصد دارد به زودی چیپ 49 کیوبیتی خود را آماده سازد. تا زمان شروع آزمایش تراشه 20 کیوبیتی ، قدرتمندترین‌ تراشه‌ ی کوانتومی گوگل ، تراشه ی 9 کیوبیتی آن از سال 2015 بوده است.

بر هم نهی کوانتومی :

فرض کنید برای تغییر اسپین الکترون از حالتی به حالت دیگر توسط پالسی از انرژی لیزر، تنها از نصف واحد انرژی لیزر استفاده کنیم و ذره را از تمامی تاثیرات خارجی دور نگه داریم . بنا به قانون کوانتوم ، در این حالت ، ذره وارد بر هم نهی حالت های ممکن میشود. در این حالت طوری رفتار می کند که انگار به طور همزمان در دو حالت ممکن است. در نتیجه تعداد محاسباتی که یک کامپیوتر کوانتومی می تواند انجام دهد برابر 2 به توان n است . n برابر با تعداد کیوبیت های مورد استفاده است.

درهم‌تنیدگی کوانتومی :

زمانی که دو ذره به یک‌دیگر درهم‌تنیده می‌شوند، پدیده‌ای رخ می‌دهد که طی آن هر اتفاقی که برای یکی از ذره‌ها بیفتد برای آن یکی هم خواهد افتاد. در نقطه ای که ذرات با یکدیگر بر هم کنش داشته اند، نوعی ارتباط را با یکدیگر حفظ می کنند و می توانند به صورت جفتی در هم تنیده شوند. به این فرایند همبستگی یا در هم تنیدگی گفته می شود. درهم تنیدگی کوانتمی اجازه می دهد تا کیوبیت هایی که با یکدیگر فواصل فوق العاده زیادی دارند، به صورت لحظه ای برهم کنش داشته باشند. اینکه فاصله ذرات چقدر باشد، تا زمانی که این ذرات ایزوله باشند به صورت در هم تنیده باقی خواهند ماند.

برهم نهی کوانتومی و درهم تنیدگی کوانتومی با یکدیگر قدرت پردازش بسیار زیادی را ایجاد می کنند. زیرا هر کیوبیت در یک کامپیوتر کوانتومی می تواند هر چهار عدد را به صورت همزمان ذخیره کند . چرا که هر کیوبیت نمایانگر 2 مقدار به طور همزمان است. اگر کیوبیت های بیشتری اضافه شوند ، افزایش ظرفیت محاسبات به صورت نمایی افزایش پیدا خواهد کرد.

پس، رایانش کوانتومی از سه رویکرد اصلی مکانیک کوانتومی به‌ منظور انجام پردازش‌های سنگین استفاده می‌کند. برهم‌نهی کوانتومی (Superposition of Quantum)، تونل‌زنی کوانتومی (Quantum Tunneling) و درهم‌تنیدگی کوانتومی (Quantum Entanglement). این سه مفهوم اصلی مکانیک کوانتوم به‌شمار می‌روند که امروزه در دنیای محاسبات کوانتومی به‌شکل عملی از آن‌ها استفاده می‌شود.

جاوای کوانتومی از اولین زبان‌های برنامه‌نویسی کوانتومی است که به‌نظر می‌رسد خیلی زودتر از کامپیوترهای کوانتومی بزرگ به میدان وارد شده است. همچنین به این نکته توجه داشته باشید، کامپیوترهای کوانتومی تنها زمانی می‌توانند مورد استفاده قرار گیرند که دمای نزدیک به صفر کلوین باشند. امروزه بسیاری از شرکت‌ها با این چالش بزرگ روبه‌رو شده‌اند، چالشی که دی‌‌ویو سیستمز مدت‌ها پیش آن ‌را پشت سر گذاشته است.

تازه های کامپیوتر های کوانتومی :

تیمی به رهبری پروفسور میشل سیمونز، مدیر مرکز محاسبات کوانتومی و فناوری اطلاعات یا CQC2T ، تنها گروهی در دنیا می باشند که توانایی مشاهده دقیق حالت کیوبیت ها در جامدات را دارند. تیم سیمونز با ایجاد موقعیت دقیق و بستن اتم های فسفر در یک تراشه ی سیلیکونی، کیوبیت های اتمی را ایجاد می کنند. دانشمندان UNSW توانستند تعاملات بین دو کیوبیت را کنترل کنند تا اسپین های کوانتومی الکترون آن ها همبستگی پیدا کند. هنگامی که چرخش یک الکترون به سمت بالا می رود،نقطه دیگر پایین می رود. اطلاعات روی یک اسپین کوانتوم از اکترون تک فسفر ذخیره می شود.این پیشرفت روشی منحصر به فرد برای ساخت کامپیوتر کوانتومی می باشد. 

ثبت سرعت جدید برای بلوک های ساخت به دام افتاده از کامپیوترهای کوانتومی :

محققان یک رکورد سرعت جدید برای دروازه های منطقی ایجاد کرده اند که بلوک های ساخت محاسبات کوانتومی را تشکیل می دهند. این تکنولوژی می تواند روش های پردازش اطلاعات مرسوم را تغییر دهد. تیم اکسفورد از تکنولوژی  به دام انداختن یون برای توسعه کامپیوتر خود استفاده می کند. دروازه های منطقی دو اتم شارژرا که حاوی اطلاعات به شکل بیت های کوانتومی می باشند ،در حالت غوطه وری کوانتومی قرار می دهد. به این معنی که خواص دو اتم که با هم در ارتباط می باشند، زمانی که آن ها در فاصله ی زیادی از هم قرار دارندتغییر نمی کند.

پرفسور لوکاس: کوبیت های کپسول یونی مدت هاست که به دقت در دنیای محاسبات کوانتومی مورد استفاده قرار می گیرند و از ویژگی های خوبی برخوردارند که برای کاربردهای شبکه به فوتون ها متصل می شوند. مشکل  همیشگی ،آرام بودن عملیات پیوستن پایه بود. در آخرین آزمایش ما توانستیم در زمان هایی کوتاه تر از 480 نانو ثانیه ایجادکنیم که نشان می دهد سرعت حرکت منطقی نباید با زمان طبیعی حرکت آونگ یون ها محدود شود.